新加坡南洋理工大學和美國加州理工學院的科學家們近期開發出一種可按需變硬的智能面料的黑科技，研制蝙蝠俠的鬥篷，或將變成現實！
黑科技面料
身爲凡人的我們，有沒有那麽一瞬間幻想過，自己可以擁有像蝙蝠俠，超人，奇異博士那樣的一件高科技鬥篷，帶著我們風馳電掣，呼風喚雨，成爲萬人敬仰的超級英雄？隨著科技的發展，這個電影中超級英雄的最佳拍檔，可能即將成爲現實。
近日，來自新加坡南洋理工大學（NTU）和美國加州理工學院 (Caltech) 的科學家聯合開發出了一種新型“鏈甲型”織物面料，這種新興的智能織物雖然看上去像布料一樣柔韌，但它可以根據使用者所需要改變硬度，就好像超級英雄的鬥篷一樣。目前該成果已經成功發表在世界頂級學術期刊 Nature 上。
這種輕質織物由尼龍塑料聚合物 3D 打印而成，由相互聯鎖的空心八面體（具有八個相等三角形面的形狀）組成。當裝在塑料袋中並真空包裝時，它的硬度會提高 25 倍，並且可以承受自身重量的 50 倍以上的重量。
科學家們爲了能更直觀的讓大家能理解這種新型智能材料，他們用流行文化中的一個經典的例子，就是蝙蝠俠的鬥篷。這個只存在于科幻電影中的高科技鬥篷通常是十分柔軟靈活的，但當緊急時刻蝙蝠俠需要它作爲滑翔翼時，它可以根據需要隨意變硬，成爲重要的工具。
具體原理
此次研究中的“鏈甲”是一種由兩層互鎖顆粒組成的結構化織物。據論文描述，這種織物材料在圍壓下會經曆一個相變（堵塞轉變），從而改變其機械性能，由柔軟的紡織品變成堅硬的外殼。事實上，這種“鏈甲”的高強度來源于其在負載下表現出的一種堵塞轉變，將它們從軟力學變爲硬力學。
研究人員重新審視了“鏈甲”的機制，重點研究了堵塞過渡。研究結果表明，使用圍壓作爲驅動力，可以從根本上改變這種織物的拉伸和彎曲性能，而且這種變化是可逆的。當研究人員將這種材料放入一個柔軟的密封塑料袋中並抽出空氣時，産生的圍壓足夠大，足以觸發織物的堵塞轉變。
爲了理解導致彎曲剛度增加（鏈甲在受力下變硬）的基本機制，研究人員使用數值模擬研究了顆粒之間的微觀結構相互作用和位移。通過構建空心八面體粒子的“數字孿生體”來模擬織物，然後對其進行複制和重新排列。
作爲對比，研究中采用了由相同空心八面體組成的沒有拓撲互鎖結構的的組件進行相同的虛擬實驗。結果表明，互鎖織物在相同的圍壓下表現出更高的彎曲模量（大約高 3 倍）。這可歸因于拓撲互鎖結構引起的顆粒之間的拉伸阻力，這種阻力在松散的顆粒聚集體中是不存在的。
爲了探索顆粒幾何形狀和堵塞結構的機械性能之間的關系，研究人員設計了另外五種三維顆粒幾何形狀，並構造了相應的互鎖織物，並利用驗證過的最小二乘離散元模型研究這些織物在三點彎曲試驗下的力學響應。
結果表明，在某一起始值 Z0（Z0 定義爲粒狀結構結構剛性所需的臨界接觸數）之後，表觀彎曲模量隨著平均接觸數單調增加。
作爲比較，研究人員還模擬了由互鎖的環形和方形顆粒組成的經典鏈甲層的兩層堆疊，來自這些經典的鏈甲層的結果也遵循先前觀察到的冪律縮放。
未來作用
這種下一代新型智能織物的成形能力對于可穿戴應用和可重構結構尤其重要，或將預示穿戴式可重構結構的光明前景，例如軍隊中士兵的輕質盔甲、運動領域中運動員防護裝備，醫療康複領域中卒中患者的康複器械，以及養老醫護領域可幫助老年人站立、行走和搬運物品的科技外骨骼等等。
這項突破性的跨學科的研究被發表在著名的《自然》雜志上，是機械工程和先進位造專家之間強強合作的結果。
作者發言
論文的第一作者，NTU的助理教授Wang Yifan
論文的第一作者NTU的助理教授Wang Yifan表示，他們的研究具有科學和工業意義，是一種在醫學和機器人系統中應用一種新的平台技術。“采用一種輕而可調的工程面料，我們可以用它來滿足患者和老齡化人群的需求，例如創造出外骨骼幫助他們站立、負重和幫助他們完成日常任務”。來自NTU機械和航空航天工程學院的助理教授Wang Yifan，他在加州理工學院擔任博士後研究員時就開始了這項研究。
“受古代鏈狀鎖子盔甲的啓發，我們使用了聯鎖的塑料中空顆粒來提高可調織物的剛度。爲了進一步提高材料的剛度和強度，我們現在正在研究由包括鋁在內的各種金屬制成的織物，它可以用于需要更高負載能力的更大規模的工業應用，如橋梁或建築。”
論文的通訊作者，加州理工學院Chiara Daraio教授和G. Bradford Jones教授說：“我們想制造出能夠隨意改變硬度的材料。希望創造一種可以調控軟硬度、可折疊度，剛性和承重的織物。”
展望未來，該團隊正在尋求改善其材料和織物性能，並探索更多使其變硬的方法，例如通過磁力、電或溫度等等。
參考文獻：
1. “‘Smart’ fabric stiffens on demand” NTU Media Release;
2. Research paper titled “Structured fabrics with tunable mechanical properties”,published in Nature, 11-Aug-2021. DOI: 10.1038/s41586-021-03698-7
*本文圖片來源：NTU官網，Nature官網
