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  近年來，隨著科學技術的發展，一部分人工材料/結構在受到外部刺激時能夠像自然界的生物一樣改變自身的幾何結構，來適應外部環境的變化，這一類材料和結構被稱為“可變形物質（morphing matter）”。為了實現更加復雜可控的變形，廣大的研究者們采取了各種不同的材料和變形策略，其中包括折紙、剪紙或者一些軟性材料等，以實現局部材料曲率的變化，從而達到整體變形的效果。然而，這些策略不可避免地受到多重限制：（i）由于曲率分布高度不均勻且復雜，使用傳統材料系統實現平面到整個三維形狀的變形具有極大挑戰性；（ii）可行的目標表面范圍在很大程度上受到材料自身可容許應變范圍的制約；（iii）要編程的材料必須具備柔性或可拉伸性，從而導致變形結構的力學性能下降。

創新點

  1.與傳統的剪紙/折紙或軟材料實現變形的方法不同，本研究采用了層級鑲嵌拆分的方式，將復雜的三維曲面分解成離散的顆粒，通過顆粒的組裝和拆卸，成功實現了從平面到復雜三維曲面的可逆轉變。

  2.與傳統的變形材料依賴其材料或結構柔軟性不同，也有別于目前廣泛研究的點陣超材料，本研究提出的顆粒組裝變形物質能夠通過調節顆粒的邊界約束，實時調整結構的力學性能，并通過引入拓撲互鎖的顆粒結構，進一步提升了結構的剛度。

圖 1. 基于"層級鑲嵌"的三維結構變形逆向設計框架示意圖

圖 2. 三個典型的三維結構展示鑲嵌方法的普適性。

圖 3. 通過實驗測量和有限元分析確定變形結構的力學性能。

圖 6. 利用電熱致動器實現形狀變形結構的形狀轉換和剛度調節能力。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.11.002

通訊作者簡介

  新加坡南洋理工大學王一凡教授課題組長期致力于研究新型的3D打印技術以及功能化結構材料，并開發其在軟體機器人領域和人體外骨骼領域的應用（課題組主頁：https://www.yifanwangntu.com/）。王一凡教授于2020年至今擔任新加坡南洋理工大學機械與宇航工程學院南洋助理教授（Nanyang Assistant Professor, 為該校授予杰出青年教授的職位）。王教授于2017-2020年在加州理工學院機械與土木工程系從事博士后研究，2011-2016年在芝加哥大學物理系獲得物理學博士學位，2007-2011年于北京大學物理系獲得物理學士學位。王教授已在領域內頂級期刊發表多篇重要文章，其中包括Nature、Physical Review Letters、Nature Materials、Matter、ACS Nano、Advanced Materials、Small、Extreme Mechanics Letters等。課題組長期招收軟體機器人以及超材料相關的博士生，博士后以及訪問學者（請聯系：Yifan Wang，yifan.wang@ntu.edu.sg）。離散結構化超材料以及其在軟體機器人領域的應用的研究才剛剛開始，星辰大海是我們的征途，希望更多有志向的年輕人加入這個有趣的方向，一起書寫新的篇章。