【成果展示】可拼接可重构模块化材料及其在流控结构上的探索

导读

可重构材料的出现为不同尺度的功能型结构设计提供了新的途径，但其后加工几何形状通常保持不变，无法根据特定功能进行定制，灵活性较低，并且以不可持续的方式处理原材料，同时降低材料特性使用的效率。本期为大家介绍下课题组刘盼等同学于今年发表在Advance Engineering Materials的题为Jigsaw-Inspired Modular Architected Materials with Tailorable Stiffness and Programmable Reconfiguration for Adaptive Flow Regulations的文章，这篇文章介绍了一种新型的模块化建筑材料，在数值模拟和实验测试的指导下，通过设计自适应流量调节器，验证了模块化结构材料的优势。

文章请参阅：

https：//doi.org/10.1002/adem.202200148

模块化材料的组装策略

在本研究中，我们提出的模块化方法加快了不同几何设计特性的表征，其特点是直接组装，而无需从头打印整个新模型。利用PLA-TPU双材料打印，并通过商业桌面规模的3D打印机(Ultimaker S3)制造了一系列的三个构建模块。使用模块化材料进行拼装，不同的基本几何形状可以拼装或拆卸并被替代使用。例如，两个S块可以形成块R2S或块F2S (图1a)。作为所有块体的基材，热塑性聚氨酯(TPU)作为F2S块体的弹性接头(图1b)，将两个S块插入到一个块R2S中，这样就可以形成一个正方形单元S1(图1c)。不同的基础几何形状(三角形、矩形、六边形等)也可以通过相同的模块化方法进行设计和组装。为了概念验证，进一步的讨论将局限于方形单元。

基于这个装配程序，从单个单元S1到更复杂的3D几何形状，还可以形成多种平面单元。作为组装策略的一个简单演示，我们考虑基线2*2个方形单元S4S，由4个R2S块和4个F2S块组成，如图1d所示。从块级到单元级的组装过程非常简单直接。通过水平排列这些单元，可以设计和制造链条单元。作为一个代表性的例子，重复链单元S12-R有三个水平方向排列的S4S单元，本质上是类似于单元S3L的线性设计，只是将单个方形单元扩展为四个子单元。我们还设计并制作了另一个链单元S10-O，将四个不同预定义角度(90°、0°、90°、0°)的S4S单元重叠。在图1e中，我们进一步通过四个S4S单元(单元S9S)循环设计三个平面单元，在S4S单元(单元S16-H)上添加层次化功能，并将五个S4S单元放在一个螺旋图案(单元S20-S)上。这些单元将在以下各节中针对具体功能进行讨论。

流量调节相关的目标应用场景

不考虑具体的尺度，传统的流动控制通常依赖于刚性结构。我们从具有弹性铰链的简单线性单元开始，并将它们的性能与刚性单元进行比较。在图2a中，我们给出了四种流量调节器的设计：固定基线刚性单元(BR)、由5个R2S块和2个S块构建的模块化刚性单元(MR)和由3个R2S块、2个F2S块和2个S块构建的模块化柔性单元(MF-S和MF-F)。单元MF-S和MF-F分别通过使用R2S块的硬接头或软接头来区分。使用商业软件ABAQUS 建立有限元模型，分析了这些设计的变形情况，并结合水流实验验证。可以看出，单元BR高度没有变化，而其他三个单元由于弹性节点的存在而发生变化，降低铰链刚度可以使单位MF-F翻转，并由于形状变换而完全改变稳态流动表面轮廓，结构中铰链刚度属性不同对流固耦合产生了影响。(对刚度的探讨可参阅原文图3)

通过对有限数量的F2S块进行组装和拆卸，就可以实现不同特性的流量调节器。使用模块化方法可以节省大量的生产时间和材料，当给定的单元在整体尺寸方面变得更大，具有更复杂的几何和铰链布局时，这种优势更加明显。

基于这些初步结果，为了探索控制形状转变的其他因素，我们引入了一种替代的铰链安排，将铰链2移动到单元的底部，发现如果使用更软的铰链，单元也可以实现相同的A-B相变。虽然三胞单元的几何结构非常简单，但它提供了铰链刚度对链设计变形的影响，相图可以用于更复杂的链设计。         

为了增加几何特征的复杂性和潜在的可调性，我们设计和制造了两个线性单元并将它们的形状变化特征与对应的方形单元进行比较。图3d展示了一个六单元三角形单元的重新配置，包含五个软的水平铰链和一个硬的垂直铰链，显示了从A到B的相似相变，但增加了单元的灵活性。基于所提出的模块化方法，我们可以很容易地用不同刚度的铰链，得到完全不同的流量调节器函数。例如，在图3e中，两个较硬的接头用于顶部，而一个较软的接头用于垂直接头。因此，具有相同数量的三角形单元的新单元可以按顺序平滑翻转，最终形成一个垂直的流动屏障，这是一个有利的配置，以推迟溢出。

使用模块化材料进行复杂结构设计并验证

我们没有系统地研究三角形单元的几何设计和铰链安排，而是专注于模块化设计，构建模块及其组合，使之有一个新的几何形状。

我们引入了一系列多达10个单元的闭环平面流量调节器(参阅原文图4)。并利用这些弹性铰链，设计了4个3×3的闭环单元，具有4种类型的单元几何形状(正方形、非均匀正方形、菱形和扇形)，数值结果表明，在相同的运行时间下，随着流动表面分布形状的变化，由于单元扩展后的几何轮廓不同，单元扩展后的流动特性和溢流速度也会发生变化。

为了对调节器进行更广泛的扩展，我们设计了一个25单元的闭环平面单元(图4c)，并从数值上证明了它的流量调节行为，但该单元不能安装在液压水槽中。因此我们去掉了顶部的15个细胞，得到了一个链状的平面单元S10-O。有趣的是，这个单元可以转变成比原来高三倍的倾斜形状。如果水平添加更多单元，单元的高度和相应的流特性可以在特定的应用程序规模中为目标行为进一步调整。

总结

总之，我们提出了一种基于简单易组装策略的新型模块化体系结构材料，并证明了其在调节流量方面的通用性和鲁棒性。

我们的数值和实验结果表明，通过编程单元几何、单元分布和铰链的空间排列，设计和建立了一系列线性和平面的流量调节器。构建的单元可以组合成各种形式，刚度可定制，重组可控制，形成多功能流量调节器，可调节上游流量、延迟溢流、控制流速和流面廓形等。我们设想，提出的集成材料-结构设计概念可以扩展到在大范围内实现自适应流量调节，从微流体装置到大型堰或防洪屏障通过与各种智能材料和多材料打印技术相结合，可以进一步实现高级可编程性和自组装。另一种途径是利用人工智能和机器学习对特定的流体流动情况和性能目标进行建筑材料的逆向设计。总的来说，我们展示了一种组装模块化建筑材料来调节流动的新路线，模块化设计也为基于不稳定性的、拉胀材料和其他类型的建筑材料的组装和拆卸开辟了新的途径，这些材料可能会应用于更广泛的波控制应用，如声学。

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https：//doi.org/10.1002/adem.202200148

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文稿 | 刘   盼

排版 | 刘   盼

审核 | 胡   楠