中国科大龚兴龙团队Compos. Part B-Eng.： “潜意识触发”的人体防御策略-仿生双稳态Kirigami结构智能关节
Kirigami（剪纸艺术）是一门古老的艺术，通过巧妙地切割和操纵一张纸，可以创造出迷人的装饰品。目前，这种艺术形式已经逐渐发展成为一种设计和制造框架，能够创造不同规模的多功能材料和结构。通过巧妙地设计几何狭缝，简单的二维薄板可以在外界刺激下转化为复杂的三维结构，具有独特的可编程力学性能。许多基于Kirigami的可穿戴电子器件忽视了动态力学性能设计的重要性，针对动态冲击载荷下的力学响应研究较少。随着人们安全意识的不断提高，对可穿戴防护设备的需求也随之增加。在一些研究中，Kirigami结构被证明是抗冲击设计的理想选择。然而，目前应用于抗冲击领域的Kirigami结构往往为刚性结构，这与可穿戴设备设计中对柔性和适应性的要求是背道而驰的。
为了解决这一矛盾，中国科学技术大学龚兴龙团队受自然界中穿山甲防护策略的启发，将Kevlar、导电剪切变硬弹性体（c-SSE）和PET结合在一起，基于Kirigami结构，开发了一种柔性智能复合材料（Kiri-Kevlar）。Kiri-Kevlar具有优异的力学性能，并且可以在2D和3D模式之间无缝转换。3D结构化Kiri-Kevlar的结构刚度与c-SSE应变率敏感特性协同作用，实现了高冲击能量耗散功能。当人体受到冲击，身体的潜意识动作（如蜷曲或弯曲四肢），会迅速触发Kiri-Kevlar的三维结构激活，从而抵御冲击。此外，可穿戴的Kiri-Kevlar可以基于其力-电耦合机制实现人机交互，为新一代智能防护设备提供了思路。相关研究成果以 “Subconsciousness-triggered” human body defensive strategy: Bi-stability intelligent joint with bionic kirigami structure 为题，发表在国际Top期刊Composites Part B: Engineering上。论文的第一作者为中国科学技术大学工程科学学院博士生周建宇，通讯作者为龚兴龙教授、王胜副教授。
图1 摘要图
穿山甲是大自然创造高拉伸和抗冲击结构的一个杰出例子。其身体覆盖着重叠的鳞片，当受到威胁时，穿山甲会采取蜷曲的姿态。由于弯曲过程中外表面的拉伸应力，鳞片向外张开，形如半开的松果。为了实现对于这种结构的仿生设计，采用激光雕刻工艺在PET薄膜上蚀刻线条。这种方法在实际应用中是通用且可定制化的。随后，采用热压工艺将Kevlar、c-SSG和PET复合，在热压过程中，c-SSG与VMQ中的分子链发生交联并硫化生成c-SSE。当受到外部冲击，个体的潜意识反应促使人体迅速弯曲手臂，采取防御姿态以抵抗冲击。Kiri-Kevlar的结构可以随着手臂的运动而变形，从而瞬时提升抗冲击性。Kiri-Kevlar还可以在各种变形模式下输出信号，为智能传感、人机交互等相关功能的发展提供了基础。
图2 Kiri-Kevlar制备工艺与结构变形示意图
对于拉伸过程中Kiri-Kevlar的结构演化规律进行了系统的研究，并相应构建了不同结构特征的有限元模型。与实验中一致，在结构单元的特征区域锚定特征点以跟踪变形。在与实验中相同的结构参数下，有限元模拟结果呈现出与实验一致的结构演化过程，并可以表征实验中难以定量化测量的结构变形值。变形的初始刚度与负泊松比可以通过结构参数进行宽范围调整。将有限元特征点轨迹与实验跟踪的轨迹进行对比，两者吻合较好。此外，Kiri-Kevlar在高应变下的旋转角度也可以通过解析模型预测。
图3 轴向载荷下Kiri-Kevlar的结构演化研究
当Kiri-Kevlar受到冲击时，其主要承受高应变率的面外压缩载荷。结构刚度与高应变率下的剪切变硬效应协同作用增强了Kiri-Kevlar的抗冲击性能。Kiri-Kevlar的变形程度取决于预应变的大小，较高的应变将导致更大程度的拉胀。另外，结构转角越大，支撑反力在水平方向的分量越小，可以提供更有效的支撑。结构程度越高的Kiri-Kevlar也展现出更高的结构刚度。结构化Kiri-Kevlar复合材料同样也表现出显著的剪切变硬效应。此外，Kiri-Kevlar所具有的柔韧性使其可以很好地被装配在非线性平面，具有良好的适应性。
图4 Kiri-Kevlar在压缩加载下的力学行为
为研究三维结构化Kiri-Kevlar在冲击加载过程中的原位力耗散能力，搭建了预应变耦合的冲击实验平台。通过定制夹具施加预应变来构建稳定的结构化Kiri-Kevlar。带有加速度传感器的锤头垂直释放，Kiri-Kevlar下方放置力传感器，测量缓冲后的耗散后冲击力。整个冲击过程由安装在侧面的高速摄像机记录。c-SSE的剪切变硬效果和Kiri-Kevlar结构的刚度协同作用，起到了极好的冲击力耗散的作用。在这项工作中，结构化Kiri-Kevlar具有最低的面密度，同时冲击力耗散能力远优于常用防护材料。
图5 Kiri-Kevlar的动态力学响应研究
探讨了这种Kiri-Kevlar所具有的力-电耦合机制在可穿戴防护装备发展中的潜力。在分压电路中，数据采集系统可以灵敏地捕捉Kiri-Kevlar的电阻信号变化，然后将这些信号传输到LabVIEW程序中进行处理，从而实现人机交互。举例来说，Kiri-Kevlar可以被佩戴在双臂上，并基于人体不同的运动模态来控制游戏角色，使用者左手出拳会导致蓝色角色出拳，右手出拳会导致红色角色出拳。此外，基于稳定的力-电耦合性能，Kiri-Kevlar有望被集成到更为复杂的可穿戴智能系统中，进一步开发下一代智能抗冲击可穿戴柔性电子器件。
图6 Kiri-Kevlar的力-电耦合研究与人机交互功能开发
在本研究中，采用热压工艺开发了一种具有柔性Kirigami结构的复合材料（Kiri-Kevlar）。Kiri-Kevlar具有卓越的力学性能同时可以在2D和3D结构状态之间可逆切换。当人体面临外部冲击时，潜意识的反应会导致个体蜷缩起来。这种瞬时反应有效地触发了Kiri-Kevlar的结构转变。采用有限元法阐明了结构变形演化规律，并可以对于初始刚度和泊松比进行可编程设计。与穿山甲伸展鳞片类似的是，Kiri-Kevlar具有额外的结构刚度，为使用者提供了出色的冲击防护。此外，作为一种可穿戴电子设备，Kiri-Kevlar在不同载荷条件下表现出灵敏的电响应特性。这种电信号可以被用于灵活地控制电脑游戏，验证了其在人机交互领域的潜在应用，在未来的智能防护设备发展中具有广阔前景。
原文链接：
Jianyu Zhou, Mei Liu, Sheng Wang, Junshuo Zhang, Mingyang Ni, Shuai Liu, Yu Wang, Huaxia Deng, Bing Liu, Xinglong Gong. “Subconsciousness-triggered” human body defensive strategy: Bi-stability intelligent joint with bionic kirigami structure. Composites Part B: Engineering 2024, 277, 111368. DOI: 10.1016/j.compositesb.2024.111368
https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111368
