無論是用于吸收沖擊的彈簧、用于儲(chǔ)存能量的機(jī)械緩沖器，還是機(jī)器人和節(jié)能機(jī)器中的柔性部件，許多現(xiàn)代技術(shù)都依賴于儲(chǔ)存機(jī)械能的能力。這涉及將動(dòng)能、運(yùn)動(dòng)或機(jī)械功轉(zhuǎn)化為彈性能，并在需要時(shí)完全釋放。這一過程中的一個(gè)關(guān)鍵因素是焓，它指的是材料中可以儲(chǔ)存和回收多少能量。

卡爾斯魯厄理工學(xué)院 (KIT) 教授 Peter Gumbsch 表示，最大化焓值并非易事。“難點(diǎn)在于將相互沖突的特性結(jié)合起來：高剛度、高強(qiáng)度和大可恢復(fù)應(yīng)變。”通過巧妙地將棒扭轉(zhuǎn)成螺旋狀并將其集成到新的超材料結(jié)構(gòu)中，他們克服了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)限制，實(shí)現(xiàn)了比現(xiàn)有材料高 2 至 160 倍的焓值。這一突破為機(jī)器人、減震器和下一代機(jī)器的能量密集型組件打開了大門。

該模型展示了超材料的螺旋形變。得益于這種機(jī)制，可以儲(chǔ)存大量能量而不會(huì)發(fā)生破損。圖片來源：IAM，KIT / 拼貼：Anja Sefrin，KIT

超材料是一種設(shè)計(jì)成自然界中不存在的結(jié)構(gòu)的材料。通過排列精心設(shè)計(jì)的構(gòu)建塊，研究人員可以創(chuàng)建具有增強(qiáng)或不尋常特性的材料。Gumbsch 還領(lǐng)導(dǎo)著弗萊堡弗勞恩霍夫材料力學(xué)研究所，他與來自中國(guó)和美國(guó)的國(guó)際團(tuán)隊(duì)現(xiàn)已開發(fā)出一種機(jī)械超材料，可以非常高效地存儲(chǔ)彈性能量。

“首先，我們發(fā)現(xiàn)了一種機(jī)制，可以在一根簡(jiǎn)單的圓棒中儲(chǔ)存大量能量，而不會(huì)使其斷裂或永久變形，”Gumbsch 說。“通過定義棒的巧妙排列，我們將這種機(jī)制集成到超材料中。”

研究人員將他們的發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)的彎曲彈簧進(jìn)行了比較，由于彈簧表面的高應(yīng)力，彈簧只能彎曲到一定程度，然后就會(huì)永久破裂或變形。彈簧內(nèi)部的應(yīng)力仍然很低，因此儲(chǔ)能效率低下。但是，通過扭轉(zhuǎn)桿而不是彎曲桿，表面會(huì)承受更均勻的應(yīng)力，低應(yīng)力內(nèi)部材料的體積也會(huì)減少。為了進(jìn)一步推進(jìn)這一想法，研究人員利用強(qiáng)烈的扭轉(zhuǎn)來誘導(dǎo)復(fù)雜的螺旋屈曲模式，在保持結(jié)構(gòu)完整性的同時(shí)最大限度地提高儲(chǔ)能。

研究人員成功地將這種扭轉(zhuǎn)載荷和螺旋變形的桿集成到一種可以在單軸載荷下宏觀使用的超材料中。模擬幫助他們預(yù)測(cè)超材料將具有高剛度，因此可以吸收很大的力。此外，它的焓比其他超材料高 2 到 160 倍。為了證實(shí)這一點(diǎn)，他們對(duì)具有鏡像手性結(jié)構(gòu)的各種超材料進(jìn)行了簡(jiǎn)單的壓縮實(shí)驗(yàn)。

Gumbsch 表示：“我們的新型超材料具有高彈性儲(chǔ)能能力，未來有望應(yīng)用于需要高效儲(chǔ)能和卓越機(jī)械性能的各個(gè)領(lǐng)域。”除了基于彈簧的儲(chǔ)能之外，可能的應(yīng)用還包括減震或阻尼以及機(jī)器人或節(jié)能機(jī)器中的柔性結(jié)構(gòu)。或者，超材料內(nèi)部發(fā)生的扭曲可用于純彈性關(guān)節(jié)。

編譯自/ScitechDaily