近年来，随着科学技术的发展，一部分人工材料/结构在受到外部刺激时能够像自然界的生物一样改变自身的几何结构，来适应外部环境的变化，这一类材料和结构被称为“可变形物质（morphing matter）”。为了实现更加复杂可控的变形，广大的研究者们采取了各种不同的材料和变形策略，其中包括折纸、剪纸或者一些软性材料等，以实现局部材料曲率的变化，从而达到整体变形的效果。然而，这些策略不可避免地受到多重限制：（i）由于曲率分布高度不均匀且复杂，使用传统材料系统实现平面到整个三维形状的变形具有极大挑战性；（ii）可行的目标表面范围在很大程度上受到材料自身可容许应变范围的制约；（iii）要编程的材料必须具备柔性或可拉伸性，从而导致变形结构的力学性能下降。

创新点

  1.与传统的剪纸/折纸或软材料实现变形的方法不同，本研究采用了层级镶嵌拆分的方式，将复杂的三维曲面分解成离散的颗粒，通过颗粒的组装和拆卸，成功实现了从平面到复杂三维曲面的可逆转变。

  2.与传统的变形材料依赖其材料或结构柔软性不同，也有别于目前广泛研究的点阵超材料，本研究提出的颗粒组装变形物质能够通过调节颗粒的边界约束，实时调整结构的力学性能，并通过引入拓扑互锁的颗粒结构，进一步提升了结构的刚度。

图 1. 基于"层级镶嵌"的三维结构变形逆向设计框架示意图

图 2. 三个典型的三维结构展示镶嵌方法的普适性。

图 3. 通过实验测量和有限元分析确定变形结构的力学性能。

图 6. 利用电热致动器实现形状变形结构的形状转换和刚度调节能力。

  原文链接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.11.002

通讯作者简介

  新加坡南洋理工大学王一凡教授课题组长期致力于研究新型的3D打印技术以及功能化结构材料，并开发其在软体机器人领域和人体外骨骼领域的应用（课题组主页：https://www.yifanwangntu.com/）。王一凡教授于2020年至今担任新加坡南洋理工大学机械与宇航工程学院南洋助理教授（Nanyang Assistant Professor, 为该校授予杰出青年教授的职位）。王教授于2017-2020年在加州理工学院机械与土木工程系从事博士后研究，2011-2016年在芝加哥大学物理系获得物理学博士学位，2007-2011年于北京大学物理系获得物理学士学位。王教授已在领域内顶级期刊发表多篇重要文章，其中包括Nature、Physical Review Letters、Nature Materials、Matter、ACS Nano、Advanced Materials、Small、Extreme Mechanics Letters等。课题组长期招收软体机器人以及超材料相关的博士生，博士后以及访问学者（请联系：Yifan Wang，yifan.wang@ntu.edu.sg）。离散结构化超材料以及其在软体机器人领域的应用的研究才刚刚开始，星辰大海是我们的征途，希望更多有志向的年轻人加入这个有趣的方向，一起书写新的篇章。