Science：“可柔可刚”的结构化织物

普通织物的特性通常由材质特性和编织结构共同决定，而智能织物是具有适应性的，可根据外在环境刺激发生特性的转变。目前，大多数对于智能织物的研究主要集中在传感和数据通信方面，将一些智能组件（如柔性电路）与织物进行集成。然而，智能织物的设计走向应用的话，通常需要具有一定的机械强度以适应额外组件的配重，同时应该具有舒适的柔性来满足人体的可穿戴需求。

最近，加州理工学院机械工程和应用物理学教授 Chiara Daraio课题组在Nature上发表了题目为“Structured fabrics with tunable mechanical properties”的研究论文。他们报道了一种由3D打印的聚合物粒子互锁而成的“可柔可刚”的结构化织物，这种织物有望在可穿戴外骨骼、医疗辅助设备等方面获得应用。

图1.八面体聚合物粒子及结构化织物

受到了古代链甲（一种铠甲）与拓扑互锁的元素的启发，他们设计了一种由两层互锁八面体粒子组成的结构化织物。每个粒子都是一个中空的三维结构，通过桁架连接构造（如图一所示）。这种设计旨在降低整体密度，增强粒子元素之间的接触。这里选择八面体粒子是因为它们的90°旋转对称可以在互锁结构中形成方形二维晶格，它们的尖角增加了层与层之间的接触。同时，该设计避免层层堆积所产生的互锁，层与层之间可以相对滑动，实现了更好的柔性。如同古代的链甲一样，这种织物可以自由弯曲、折叠并覆盖在弯曲的物体上。

图2. 边界压力触发堵塞转变示意图及承重实验

为了获得高强度，他们使用边界压力触发织物上的粒子之间的堵塞（如图二），将织物进行了封装并抽出空气以产生边界压力。实验发现，这可以有效地增加了织物的弯曲模量，并使其变成了承重的结构。

为了量化力学性能的变化，他们进行了三点弯曲试验，并计算了织物的表观弹性弯曲模量。模量的增强可归因于堵塞状态下拓扑连锁引起的粒子之间的拉伸阻力。同时，他们通过对不同方向的弯曲和拉伸模拟，测试了织物的各向异性。拉伸变形的各向异性比弯曲变形的要强得多。这是因为拉伸力加载的方向是粒子连接的主要方向。

图3. 粒子几何形状和堵塞结构的机械性能关系的实验研究

为了了解粒子几何形状和堵塞结构的机械性能之间的关系，他们设计了另外五种不同几何形状的粒子，并构造了相应的互锁织物，通过利用验证过的最小二乘离散元模型来研究它们在三点弯曲试验下的力学响应。结果表明，在某一起始值 Z0（定义为粒子结构刚性所需的临界接触数）之后，表观弯曲模量随着平均接触数增加而增加。

图4. 结构化织物可塑性及其应用前景

该织物的另一个特点是，在被封装堵塞之前，它们可以被塑造成不同的几何形状。这种塑造能力对于可穿戴的应用设备尤其重要。他们将织物塑造成平板形和拱形并且施加压力，发现其能够承受超过自身重量三十倍的载荷。 由于其“可柔可刚”的优异力学响应特性，该结构化织物具有广阔的应用空间。 来源：Structured fabrics with tunable mechanical properties. 原文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-021-03698-7.