如何设计具有可重新编程的形状和功能的材料

　　超材料——其功能由结构而非成分决定的材料——被设计用来弯曲光和声音，由软变硬，甚至减弱地震产生的地震波。但每一种功能都需要独特的机械结构，这使得这些材料适用于特定的任务，但难以广泛实现。
　　但是，如果一种材料可以包含在其结构中，具有多种功能，并且可以在它们之间轻松、自主地进行切换，那该怎么办呢?
　　来自哈佛大学约翰·a·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)和威斯生物工程研究所的研究人员已经开发了一个通用框架来设计可重新配置的超材料。该设计策略是尺度无关的，这意味着它可以应用于任何领域，从米级的结构到可重构的纳米级系统，如光子晶体、波导和引导热量的超材料。
　　这项研究发表在《自然》杂志上。
　　＂就可重新配置的超材料而言，设计空间大得令人难以置信，所以挑战在于想出聪明的策略来探索它，＂海洋自然科学副教授、该论文的资深作者卡蒂亚·贝托尔迪(Katia Bertoldi)说。＂通过与设计师和数学家的合作，我们找到了一种方法来概括这些规则，并迅速产生大量有趣的设计。＂
　　贝托尔迪和论文的第一作者、前研究生约翰内斯·奥弗尔德(Johannes Overvelde)与哈佛大学设计研究生院(GSD)的查克·霍伯曼(Chuck Hoberman)、Wyss的副教授以及Wyss的高级研究科学家詹姆斯·韦弗(James Weaver)合作设计了这种超材料。
　　这项研究始于2014年，当时霍伯曼向贝尔托尔迪展示了他对一系列可折叠结构的原创设计，其中包括一个挤压立方体的原型。贝托尔迪说:＂我们惊讶于它可以如此容易地折叠和改变形状。＂＂我们意识到，这些简单的几何图形可以作为构建块，形成一类新的可重新配置的超材料，但我们花了很长时间来确定一个稳健的设计策略，以实现这一点。＂
　　这个跨学科的团队意识到，多面体的组件可以作为设计挤压可重构薄壁结构的模板，极大地简化了设计过程。
　　＂通过设计和计算建模结合,我们能够识别各种不同的重组和创建一个蓝图或DNA构建这些材料在未来,＂Overvelde说,现在科学软机器人问题组的组长在荷兰AMOLF FOM研究所。
　　同样的计算模型也可以用来量化材料弯曲的所有不同方式，以及这些方式如何影响材料的有效性能，如刚度。通过这种方式，他们可以快速扫描近一百万种不同的设计，并选择那些具有首选响应的设计。
　　一旦选定了一个特定的设计，该团队就利用激光切割纸板和双面胶带，以及多材料3D打印，构建出每个3D超材料的工作原型。就像折纸一样，最终的结构可以沿着它们的边缘折叠来改变形状。
　　韦弗说:＂既然我们已经解决了设计正式化的问题，我们可以开始考虑在更小的尺度上制造和重新配置这些超材料的新方法，例如通过开发3d打印的自驱动环境响应原型。＂
　　这一形式化的设计框架可能对结构和航天工程师、材料科学家、物理学家、机器人工程师、生物医学工程师、设计师和建筑师有用。
　　霍伯曼说:＂这个框架就像一个工具包，可以用来构建可重新配置的材料。＂＂这些积木和设计空间非常丰富，我们才刚刚开始探索用它们可以建造的所有东西。＂