拥有记忆和可重写图案的二维薄片可稳定精确切换成三维形状
在现代科学和工程领域，我们一直致力于开发能够响应外部刺激并实现自主形状变化的材料和结构。然而，现有的策略需要在薄片上进行复杂的预处理，如切割、折叠、光学标记、膨胀区域、预应力或指示器场等。此外，基于可逆激活的策略在刺激移除时会导致形状松弛，而基于不可逆变形的策略容易过冲。
2023年9月20日，荷兰莱顿大学A. S. Meeussen提出了一个基于机械多稳定性的全新策略，旨在克服这些限制。他们引入了一种名为“groovy metasheets”的新型形状变化平台，通过这种平台，可以将平面薄片从平坦状态转变为多种精确选择且稳定的三维形状，并且这些形状可以重复切换。相关论文以Multistable sheets with rewritable patterns for switchable shape-morphing为题，发表在Nature期刊上。
【groovy metasheets两步形状变化】
这些"groovy metasheets"是薄薄的片状材料，上面印有平行凹槽的图案，类似于波纹板材料。这些材料的高有效刚度与密度比使它们成为理想的建筑材料，受到广泛研究。"groovy metasheets"通过一个两步过程实现形状变换。第一步是通过点力的拉伸在每个凹槽中诱发出现特征性的"切换缺陷"。这些多稳定的缺陷会在继续施加力的情况下自组织成"伤疤"，而"伤疤"则成为后续形状变换的基础。第二步是移除外部力。在伤疤以外的区域，材料试图回复到无应力状态，但伤疤仍然存在，它包含了局部的拉伸信息，强制"groovy metasheet"可重复切换到稳定的特定三维形状。
适当的强力压平可以擦除图案，将材料返回到初始状态。关键在于，凹槽允许在不使构成材料发生塑性拉伸的情况下有效拉伸"groovy metasheet"，前提是凹槽的半径、厚度以及材料的杨氏模量和屈服强度满足一定关系，以确保在形成和擦除伤疤和形状时对薄片造成最小的永久性损害。
图1 | groovy metasheets中的两步形状变化。
【凹槽在"groovy metasheets"中的多重作用】
软变形特性：凹槽赋予了"groovy metasheets"异常的软变形特性，这在飞机外皮变形中已被证明具有用处。沿着凹槽方向的拉伸和弯曲需要材料的拉伸，因此较硬（图2a），而沿着垂直方向的拉伸和弯曲只需要材料的弯曲，因此较软（图2b）。这允许将软的"groovy metasheet"变形建模为规则表面。
缺陷形成：凹槽有助于缺陷的形成。适当的施加力，例如凹陷，会产生类似于圆柱壳或弹簧带的缺陷。这些缺陷产生了一个'H'形的平均曲率模式，并且从薄片的相对两侧进行凹陷可以产生具有正曲率或负曲率的缺陷。这些缺陷引入了几何上的困扰并储存能量，其局部的拉伸、尖锐的弯曲和凹陷都需要材料的拉伸。缺陷的形成是滞后的，并且可以通过拉伸等方式来擦除。
稳定伤疤的形成：凹槽引导薄片的变形，有助于将缺陷绑定成稳定的伤疤。通过在相邻的位置生成两个缺陷并沿着凹槽拖动其中一个，可以实现伤疤的形成。当缺陷相距较远时，它们的固定程度较弱，容易移动。然而，当缺陷被带得更近时，排斥作用使移动的缺陷自发地滑回。但当缺陷被带得非常接近时，它们会相互吸引并结合成一种对齐的配置。这种吸引伴随着弹性能量的降低。相邻缺陷之间的相互作用较弱，因此吸引会产生稳定的伤疤，类似于折纸中的"山"（+）和"谷"（-）。与需要逐个创建单个缺陷并允许其位置和方向可以通过简单操作连续控制的伤疤不同，我们的策略不需要这样做，因此可以轻松编写和擦除伤疤图案。
图2 | Groovy薄片几何形状引发了不寻常的力学效应。a-c，波动引起了非常刚性的变形（a），非常柔软的变形（b）和中等刚性的变形（c）。b和c中的变形可以近似为规则表面。
【伤疤（scar）编码和影响"groovy metasheets"的形状变换】
1. 伤疤的形成机制：伤疤中的缺陷最初从施加点力的位置开始以离散的步骤传播，然后伤疤的其余部分几乎瞬间形成。这观察结果引发了对伤疤形成机制的重要问题。研究人员根据实验观察提出了两个假设：第一，缺陷是双稳态结构，可以从高应力、光滑弯曲的构型切换到低应力的缺陷构型；第二，缺陷的形成需要在软方向ξ上的局部拉伸，而弯曲沿着硬凹槽方向ν则促进了这一过程。因此，全局上，缺陷最容易在施加点力沿ξ方向的边缘附近形成，而局部上，缺陷会促进相邻缺陷的形成。缺陷首先在靠近施力位置的地方逐个形成，因为整个薄片的应力不均匀，协同效应较弱。一旦形成多个缺陷，应力不均匀性减弱，需要更大的总应力来启动缺陷形成，协同效应变得更强。最终，这导致了余下的伤疤部分几乎瞬间形成。因此，伤疤的传播取决于协同和抗协同效应之间微妙的平衡。
2. 伤疤的几何描述：伤疤编码了"groovy metasheet"的局部拉伸，以产生复杂但可控的形状。例如，考虑一个由伤疤区域和两个未受伤疤的"翼"组成的卷（roll）。每个缺陷局部压平了"metasheet"，导致了沿伤疤的单向延伸。"翼"通过软展开和伸展变形以及在伤疤附近形成的一个弯曲点来适应这种延伸，但在靠近薄片边缘的地方会松弛。这种变形可以用"stitched ruled surfaces"来描述，其中规则表面的片段通过伸展的伤疤拼接在一起。
3. 复杂形状的生成：使用多个伤疤可以生成复杂的形状，这些形状可以准确地描述为"stitched ruled surfaces"。两个具有相反符号的伤疤不能形成一个卷，而是形成一个螺旋结构。两个相邻的具有相同符号的伤疤形成一个双卷结构。这些结构之间的表面会出现扭曲，反映了"metasheets"的异常软变形特性。
图3 | 带疤痕的薄片产生复杂而受控的形状。
【改变伤疤扩展"groovy metasheets"实现的形状变换】
1. 伤疤的组合和变形：首先，可以将具有交替正负符号的伤疤连接在一起，形成具有任意曲率符号交替的带状结构，如一个'∞'-形（图4a）。类似地，可以通过在薄片上创建小的孔洞作为局部边缘，将伤疤分隔成曲线和非曲线区域，从而在薄片中部形成坚固的终止伤疤（图4b）。其次，具有中央伤疤的长薄片条在滚动过程中可能会通过立体位阻作用自我阻塞，产生椒盐脆饼状的形状（图4c）。最后，具有非正交伤疤和凹槽的条状薄片形成螺旋形状；允许自我阻塞则产生特征性的螺旋性变形（图4d）。通过组合这些不同的方法，可以实现各种各样的形状变换。
2. 不同材料和尺度的应用："groovy metasheets"的形状变换可以在多种材料中实现（图4e），并且可以在不同的尺度上应用（图4f）。此外，伤疤使凹槽薄片具有承载负载的能力（图4g）。
图4 | 多功能的多疤痕groovy metasheets中的形状变化。
【总结展望】
这种基于机械多稳定性的策略不受材料和尺度的限制，可以应用于各种领域，包括传感和执行、假肢和可穿戴设备、设计、软体机器人、自学材料和机械信息处理。这一策略为形状变化领域带来了全新的可能性。
参考文献：
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06353-5
转自：“高分子科学前沿”微信公众号
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