“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王一凡教授和加州理工學院基亞拉·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研究。這種方法面臨的問題是，應用在穿戴的材料需要可產(chǎn)生強大電場或磁場的設備。但這種設備體積和重量大，且電場有安全的風險，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。

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

相關論文

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，這種材料的科學原理是從物理領域的“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?！?/p>

在實際應用上，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”智能織物的設計和原型

此外，該團隊的創(chuàng)新性還在于將新穎的設計和前沿的3D打印技術結(jié)合起來。王一凡表示，該材料用傳統(tǒng)的制造技術較難實現(xiàn)，古代的鏈甲是純手工制造的，如果沒有3D打印技術，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)預計成本可降低幾倍。

形狀可重構(gòu)性、可調(diào)抗沖擊性和應用

尺寸“大小皆可”，可用于機器人設備、醫(yī)療、航天航空等領域

傳統(tǒng)的外骨骼設備通過傳統(tǒng)機器人技術制造，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)的機器人技術在某些場景的應用。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?！?/p>

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）科學家的交流，讓他看到了這種材料應用的更多可能性。JPL科學家認為，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)?！蓖跻环舱f。

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域應用則預計在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、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物理系及芝加哥大學物理系，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)、力學性質(zhì)進行研究。博士畢業(yè)后，他“跨界”到加州理工學院機械工程系繼續(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科的經(jīng)歷，他在科研的過程中經(jīng)常帶著“雙學科”結(jié)合的思維去探索。這既有物理學方法上的創(chuàng)新性，也有機械工程中技術實際應用層面的聚焦。

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)的機器人技術起到補充作用，實現(xiàn)更多可能性。（綜合整理報道）（編輯/華生）