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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
2024-04-06  来源:高分子科技

  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,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-SSEPET结合在一起,基于Kirigami结构开发了一种柔性智能复合材料Kiri-KevlarKiri-Kevlar具有优异的力学性能,并且可以在2D3D模式之间无缝转换。3D结构化Kiri-Kevlar的结构刚度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,身体的潜意识动作蜷曲或弯曲四肢),会迅速触发Kiri-Kevlar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-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。 


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Kevlarc-SSGPET复合,在热压过程中,c-SSGVMQ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 


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与实验中相同的结构参数,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 


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剪切变硬效应协同作用增强Kiri-Kevlar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。 


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 


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 


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2D3D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

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