智能织物发Nature，灵感来自逛超市与看电影？

什么样的材料才能发Nature？灵感又从何而来？相关领域的小伙伴们可能每个人都曾在心里问过自己这样的问题。今天要介绍的文章，可能会给大家带来点启发。

近日，美国加州理工学院Chiara Daraio教授课题组在Nature 杂志上发表论文，报道了一种新型机械性能可调的结构化“智能”织物。这种织物由三维结构颗粒单元相互连接而成，形似一层锁子甲。平常不受力的状态下，这种织物就像普通布料一样柔软（下图a）；但在施加压力下，织物中三维结构颗粒单元会互锁并卡住，使得织物由软变硬，并可承担一定的负载（下图b）。这种变化完全可逆，也就是说，压力撤去之后，织物又可恢复柔性状态。这种机械性能可调的智能织物有望应用于可穿戴设备、外骨骼材料甚至未来的应急桥梁等。

机械性能可调的智能织物。图片来源：Nature ^[1]

原本柔软的材料甚至一堆颗粒受压之后变硬，并非什么了不起的新发现。在说明这个问题时，Chiara Daraio教授列举了她的生活经验作为例子。“想想咖啡粉，如果买的时候是真空包装，它们就像砖头一样坚硬”，Chiara Daraio教授说，“当包装被拆开后，咖啡粉却可以自由的倾倒出来。”^[2,3] 有趣的是，第一作者、Daraio教授课题组博士后Yifan Wang博士（现为南洋理工大学助理教授）在说明这个问题时，举的例子是一袋子真空包装的大米……^[4]（我猜两位研究者逛超市时关注的货物不同~~）

抽真空前后的咖啡粉。图片来源：Nature Video ^[3]

基于颗粒的材料从柔性到刚性的转化，取决于颗粒的形状，以及两个颗粒相互接触的紧密程度。如果将咖啡粉想象成近似球体的颗粒，尽管在压力下可以实现刚性转变，但由于两个球体之间只有少量的点接触，相互作用较小。

提高作用力的方式是增加接触面积，比如曲面接触或者是增加接触点，使两个颗粒的接触更紧密，提高刚性。于是，冷兵器时代风靡世界的“锁子甲”的拓扑结构又一次为研究者们提供了灵感。锁子甲最小的结构单元是一个小铁圈，数千个小铁圈环环相扣。

身穿锁子甲的骑士。图片来源：电影《指环王：双塔奇兵》

研究者为了提高材料性能，设计并3D打印了多种颗粒单元结构，经过测试筛选，研究者们选择了八面体结构作为颗粒单元。

设计的颗粒单元结构。图片来源：Nature Video ^[3]

多个八面体颗粒单元间形成多点互锁的“链锁”结构织物，多个接触点及连接处的锐角都能增加元件之间的相互作用力。这样的设计不但可以降低材料的总体密度，提高柔性，八面体的高度旋转对称性使得连接后还可以二维平铺。

颗粒单元“链锁”结构织物及实物照片。图片来源：Nature

在自然条件下，这种基于八面体颗粒单元的链锁结构织物可以自由地弯曲和折叠。当把它们封装在一个柔性塑封袋中，并抽出空气后，链锁结构织物从柔性转变为刚性，可以承载重物。弯曲模量随着塑封袋内部压力的提高而增加，从~1.4 MPa增加至~36.3 MPa，提高了25倍以上，而体积压缩率低于5%。

机械性能测试及模拟。图片来源：Nature

为了探索颗粒的几何形状与机械性能之间的关系，研究者进一步研究了多种不同的颗粒单元结构。值得注意的是，无论哪种几何结构，随着系统各单元之间的接触点数量增多，弯曲模量都呈现出类似的指数增加，而与颗粒单元的几何结构无关。

压力、单元结构对机械性能的影响。图片来源：Nature

这种链锁结构材料的另一特点，是从柔性向刚性转变时，可以保持抽真空前的形状。比如可以在柔性状态下将材料弯成平板或拱形，抽真空后，结构保持并具有机械刚性，均可承受超过自身重量30倍的负荷，抗冲击性也大大提高。

抽真空前（上图）后（下图）的抗冲击测试。图片来源：Nature

这种链锁结构材料具有广泛的应用场景：比如用作外骨骼材料，在需要时调整真空度，为工作人员提供支撑；或是使用其他更硬的材质（如铝、钢等），作为临时建筑物甚至应急桥梁等。通过3D打印技术，这种链锁结构还有望实现不同使用者、不同场景的私人定制。

多种应用场景。图片来源：Nature

虽然可以实现由软到硬的转变，但“抽真空”或许还不是改变织物机械性能最实用最高效的方法。研究者们正在试图利用其他外部刺激，如温度、光、电、磁等，来改变颗粒的接触点数量，从而实现织物从柔性向刚性的自由转变。说到这里，又想起另外一部电影中的场景——《蝙蝠侠》中的披风。^[2]

机械性能可调的智能织物。视频来源：Nature Video ^[3]

最后，弱弱的问一句，你们发Nature 的灵感莫非真的来自逛超市与看电影？

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Structured fabrics with tunable mechanical properties

Yifan Wang, Liuchi Li, Douglas Hofmann, José E. Andrade & Chiara Daraio

Nature, 2021, 596, 238-243. DOI: 10.1038/s41586-021-03698-7

参考文献：

[1] L. Orgéas, Chain-mail fabric stiffens under confining pressure. Nature, 2021, 596, 196-197. DOI: 10.1038/d41586-021-02116-2

[2] Material Inspired by Chain Mail Transforms from Flexible to Rigid on Command

https://www.caltech.edu/about/news/material-inspired-by-chain-mail-transforms-from-flexible-to-rigid-on-command 

[3] Nature video

https://www.youtube.com/watch?v=S2n9VJrra3g 

[4] 'Smart' fabric stiffens on demand

https://www.ntu.edu.sg/news/detail/'smart'-fabric-that-can-stiffen-on-demand 

（本文由小希供稿）