“軟猬甲”從武俠走進現(xiàn)實！

王一凡展示“鏈甲”智能織物

武俠小說中的“軟猬甲”采用金絲和千年滕枝混合編織，不但能“防身”刀槍不入還能保暖。最近，科學(xué)家將武俠小說中的“軟猬甲”帶進了現(xiàn)實。

新加坡南洋理工大學(xué)王一凡教授和加州理工學(xué)院基亞拉·達拉約教授團隊研發(fā)了一種輕薄、安全、價格低的“鏈甲”智能織物。這種面料是空心八面體聯(lián)結(jié)、由3D打印而成，通過氣壓調(diào)節(jié)，可實現(xiàn)0.1秒內(nèi)柔軟和堅硬狀態(tài)的自由切換。

“鏈甲”智能織物在柔軟狀態(tài)下的撞擊測試

以往在智能可穿戴材料領(lǐng)域的研究重點在電子器件，比如智能穿戴材料或柔性電子中合成先進的傳感器，但注重在改變可穿戴材料力學(xué)性能的研究非常少。

據(jù)了解，其主要困難是制造可穿戴材料的同時，還需要保證材料的力學(xué)性能可快速變化。比如，從柔軟的狀態(tài)改變到堅硬的狀態(tài)，比較常用的方法是通過改變溫度的方式達到材料的相變。

但是，大幅度溫度的變化未必適用于人體穿戴，因為人的皮膚所能承受的溫度范圍有限。并且，改變溫度的材料轉(zhuǎn)變速度通常較慢，把材料加熱需要幾十秒甚至幾分鐘，冷卻下來則會更慢。

此外，還有通過磁性或介電性材料，加上很強的磁場或電場來改變材料的剛度的相關(guān)研究。這種方法面臨的問題是，應(yīng)用在穿戴的材料需要可產(chǎn)生強大電場或磁場的設(shè)備。但這種設(shè)備體積和重量大，且電場有安全的風(fēng)險，并不適合人們?nèi)粘５拇┐骱褪褂谩?/p>

所以，在制造可改變剛度的智能穿戴材料領(lǐng)域，之前遇到了較多的困難。為此，該團隊的研究提出了一種安全、轉(zhuǎn)變速率快、重量輕、價格低的可行方案。

該團隊相關(guān)論文以《具有可調(diào)力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)化織物》為題發(fā)表。

相關(guān)論文

受顆粒材料啟發(fā)，實現(xiàn)0.1秒軟硬狀態(tài)轉(zhuǎn)換

該材料的研發(fā)靈感來自于顆粒材料，這種軟材料在日常生活中很常見，比如沙子、大米、豆子等。

王一凡表示，這種材料的科學(xué)原理是從物理領(lǐng)域的“阻塞相變”啟發(fā)而來，用很多顆粒組成智能織物，然后通過外面施加壓強的方式達到這種材料軟硬狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。

這里提到的顆粒材料有個“有意思”的性質(zhì)，如果顆粒材料呈自然狀態(tài)（外部無約束），它像流體一樣自由地流動，一旦在外面加了一定約束，或者在顆粒間加入一定的吸附力，它便可變成高粘性或高硬度的狀態(tài)。

王一凡舉例說道，“比如，如果給沙子加水，然后從外面加上壓力，就可以把沙堆成較堅固的城堡，這其實就是從軟狀態(tài)到硬狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。再如，真空包裝的大米摸起來像很硬的磚塊，但只要把真空包裝袋打開，里面的顆粒便可以自由流動，這是從硬向軟狀態(tài)的改變。”

在實際應(yīng)用上，傳統(tǒng)的顆粒材料因為是實心通常較重，如果人穿上顆粒材料像背著一袋米，在行動和舒適度上都不方便。所以，傳統(tǒng)的顆粒材料并不適合直接應(yīng)用在人體穿戴。

除了重量，傳統(tǒng)的顆粒材料還有另外一個問題。由于顆粒之間是互相排斥的，并沒有吸附力，如果顆粒材料被壓縮，它在阻塞相變后會變硬，但在這時如果去拉伸或彎曲，它的彈性并不理想。

“鏈甲”智能織物在柔軟狀態(tài)下的撞擊測試

但是，在穿戴材料里拉伸和彎曲是很常見的形變模式。為解決這兩個問題，該團隊采用了一種空心的拓撲結(jié)構(gòu)將顆粒連接，其原理像古代的鏈甲，因為材料是“中空”的，所以其重量很輕。同時，該團隊通過拓撲結(jié)構(gòu)的連接，使顆粒之間形成一種等效的吸附力，解決了該材料在拉伸、彎曲時不方便的問題。

當處于自然狀態(tài)時，這種面料易彎折，能披掛在復(fù)雜的幾何表面;而當處于阻塞相變后，面料的聯(lián)鎖顆粒會被擠在一起，剛度會是松散狀態(tài)下的25左右，其最大載重量為自身重量的50倍以上。

“鏈甲”智能織物的設(shè)計和原型

此外，該團隊的創(chuàng)新性還在于將新穎的設(shè)計和前沿的3D打印技術(shù)結(jié)合起來。王一凡表示，該材料用傳統(tǒng)的制造技術(shù)較難實現(xiàn)，古代的鏈甲是純手工制造的，如果沒有3D打印技術(shù)，這種拓撲互聯(lián)的結(jié)構(gòu)較難制造。

傳統(tǒng)織物面臨轉(zhuǎn)變速度慢、不實用、不安全等問題。王一凡表示，“鏈甲”智能織物具有安全、轉(zhuǎn)變速率快、成本低的優(yōu)勢。

第一，該材料的軟硬調(diào)節(jié)通過微型氣泵調(diào)節(jié)氣壓，對于人體的穿戴來說相對安全;第二，軟硬狀態(tài)的轉(zhuǎn)變可在0.1秒內(nèi)實現(xiàn);第三，以護腕或護肘等小型智能織物為例，其制造成本大概是100美元，若日后批量生產(chǎn)預(yù)計成本可降低幾倍。

形狀可重構(gòu)性、可調(diào)抗沖擊性和應(yīng)用

尺寸“大小皆可”，可用于機器人設(shè)備、醫(yī)療、航天航空等領(lǐng)域

傳統(tǒng)的外骨骼設(shè)備通過傳統(tǒng)機器人技術(shù)制造，通常由金屬材料構(gòu)成。雖然支撐力強，但材料過重，不方便日常穿戴，并且有消耗電能高、制造成本高等問題。

而現(xiàn)在，這種智能材料可以取代傳統(tǒng)的機器人技術(shù)在某些場景的應(yīng)用。并且，它可實現(xiàn)的尺寸“大小皆可”，也就是說，只要3D打印機的精度足夠高，也可以把它做成很輕薄、很小的結(jié)構(gòu)。

王一凡舉例說道，“以血管支架或者心臟支架手術(shù)為例，如果用這種可隨時變軟或變硬的材料，那么也許通過微創(chuàng)手術(shù)就能將這種很軟的支架結(jié)構(gòu)放進人體，當它達到某個固定的位置時，再通過調(diào)節(jié)讓它變硬。”

此外，該材料可用于人的外皮膚做醫(yī)療支撐。目前，通常用打石膏的方式來固定手骨折或斷骨的患者的骨折部位。但石膏很硬，而且可能一兩個月不能拿下來，造成患者行動不便。

如果用這種新型材料，便隨時“可軟可硬”，當骨折部位需要支撐時，用氣壓調(diào)節(jié)使它變硬;當病人需要休息時，再把它變軟。此外，如果3D打印機或制造設(shè)備足夠大，這樣的結(jié)構(gòu)可在更大的尺度實現(xiàn)。

“比如，可以先把房子或橋梁等大尺度建筑變軟，然后‘卷起來運到某個地方后，再通過改變氣壓的方式，將其變成堅固的房子或橋梁?！蓖跻环舱f。

一次，王一凡與NASA噴氣推進實驗室（JPL）科學(xué)家的交流，讓他看到了這種材料應(yīng)用的更多可能性。JPL科學(xué)家認為，在外太空，可能會有較小的隕石同宇航員高速撞擊的危險，如果將這種先進的材料用在宇航服上，也許可以保護宇航員的安全。

“更遠些的設(shè)想，如果人們想在月球、火星等外太空建造基地，需要較輕的建筑材料，用這種材料則可具有很好的延展性結(jié)構(gòu)。”王一凡說。

對于該材料產(chǎn)業(yè)化落地的時間，他認為，小型的醫(yī)療支撐應(yīng)用大概在5年內(nèi)可以落地，而外骨骼系統(tǒng)或者大尺寸的建筑領(lǐng)域應(yīng)用則預(yù)計在5年～10年內(nèi)。

從不同受限壓力下的模擬獲得的微觀結(jié)構(gòu)信息

王一凡團隊

談及該技術(shù)的可提升空間，王一凡表示，“我們在這項研究中用的是尼龍聚合物的一種高分子材料，如果想把這種智能織物的高度進一步提升，需要用剛度更大的材料，比如金屬材料或碳纖維材料。這需要在3D打印金屬材料或強度更大的材料方面進行更深入的研究?！?/p>

據(jù)介紹，目前該團隊已有初步的成果可用金屬打印。另一個比較大的提升空間在于，該團隊主要研究集中在材料和結(jié)構(gòu)上，但如果真正地應(yīng)用在可穿戴材料，如外骨骼系統(tǒng)，則需要研究整個機械系統(tǒng)。

“因此，我們下一步需要研究如何將這種先進的材料與其他的系統(tǒng)模塊相結(jié)合起來，如控制、感應(yīng)、驅(qū)動、能源等。”王一凡說。

智能制造及軟體機器人方向“雙管齊下”

“鏈甲”智能織物的結(jié)構(gòu)

王一凡的本科及博士分別就讀于北京大學(xué)物理系及芝加哥大學(xué)物理系，以軟材料為主要研究方向，經(jīng)常從自然生物系統(tǒng)中得到啟發(fā)，然后對某種材料的物理性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)進行研究。博士畢業(yè)后，他“跨界”到加州理工學(xué)院機械工程系繼續(xù)深造，這給他的科研思路帶來了不小的轉(zhuǎn)變。

正是因為這種交叉學(xué)科的經(jīng)歷，他在科研的過程中經(jīng)常帶著“雙學(xué)科”結(jié)合的思維去探索。這既有物理學(xué)方法上的創(chuàng)新性，也有機械工程中技術(shù)實際應(yīng)用層面的聚焦。

王一凡表示，做科研需要走出自己的舒適區(qū)，不能只在自己擅長的方向，這樣研究的領(lǐng)域會越來越窄。偶爾可以走出舒適區(qū)了解自己之前未接觸過的領(lǐng)域，極有可能會收獲創(chuàng)新性的啟發(fā)，甚至顛覆之前業(yè)內(nèi)的某個理論。

談及未來發(fā)展，他認為，將從兩個方向“雙管齊下”，一方面是3D打印、智能制造領(lǐng)域，將先進材料在制造上或用更強的材料打印到微納米級別的更小尺寸，或達到建筑或者橋梁的級別的更大尺寸。

另一方面是軟體機器人的方向，這有可能會對以往的靠傳統(tǒng)的機器人技術(shù)起到補充作用，實現(xiàn)更多可能性。（綜合整理報道）（編輯/華生）