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“软猬甲”从武侠走进现实!应用场景小到血管支架,大到桥梁建筑

   2022-06-18 990
核心提示:武侠小说中的“软猬甲”采用金丝和千年滕枝混合编织,不但能 “防身” 刀枪不入还能保暖。最近,科学家将武侠小说中的“软猬甲”带进了现实。新加坡南洋

8 月 11 日,该团队相关论文以《具有可调力学性能的结构化织物》(Structured fabrics with tunable mechanical properties)为题发表在 Nature。

受颗粒材料启发,实现 0.1 秒软硬状态转换

该材料的研发灵感来自于颗粒材料,这种软材料在日常生活中很常见,比如沙子、大米、豆子等。

王一凡告诉 DeepTech,这种材料的科学原理是从物理领域的“阻塞相变”启发而来,用很多颗粒组成智能织物,然后通过外面施加压强的方式达到这种材料软硬状态的转变。

这里提到的颗粒材料有个 “有意思” 的性质,如果颗粒材料呈自然状态(外部无约束),它像流体一样自由地流动,一旦在外面加了一定约束,或者在颗粒间加入一定的吸附力,它便可变成高粘性或高硬度的状态。

“软猬甲”从武侠走进现实!应用场景小到血管支架,大到桥梁建筑

动图丨“链甲”智能织物在坚硬状态下的撞击测试(来源:受访者)

王一凡举例说道,“比如,如果给沙子加水,然后从外面加上压力,就可以把沙堆成较坚固的城堡,这其实就是从软状态到硬状态的转变。再如,真空包装的大米摸起来像很硬的砖块,但只要把真空包装袋打开,里面的颗粒便可以自由流动,这是从硬向软状态的改变。”

在实际应用上,传统的颗粒材料因为是实心通常较重尼龙卷,如果人穿上颗粒材料像背着一袋米,在行动和舒适度上都不方便。所以,传统的颗粒材料并不适合直接应用在人体穿戴。

除了重量,传统的颗粒材料还有另外一个问题。由于颗粒之间是互相排斥的,并没有吸附力,如果颗粒材料被压缩,它在阻塞相变后会变硬,但在这时如果去拉伸或弯曲,它的弹性并不理想。

但是,在穿戴材料里拉伸和弯曲是很常见的形变模式。为解决这两个问题,该团队采用了一种空心的拓扑结构将颗粒连接,其原理像古代的链甲,因为材料是“中空”的,所以其重量很轻。同时,该团队通过拓扑结构的连接尼龙卷,使颗粒之间形成一种等效的吸附力,解决了该材料在拉伸、弯曲时不方便的问题。

“软猬甲”从武侠走进现实!应用场景小到血管支架,大到桥梁建筑

图丨“链甲”智能织物的设计和原型(来源:Nature)

当处于自然状态时,这种面料易弯折,能披挂在复杂的几何表面;而当处于阻塞相变后,面料的联锁颗粒会被挤在一起,刚度会是松散状态下的 25 左右,其最大载重量为自身重量的 50 倍以上。

此外,该团队的创新性还在于将新颖的设计和前沿的 3D 打印技术结合起来。王一凡表示,该材料用传统的制造技术较难实现,古代的链甲是纯手工制造的,如果没有 3D 打印技术,这种拓扑互联的结构较难制造。

“软猬甲”从武侠走进现实!应用场景小到血管支架,大到桥梁建筑

图丨形状可重构性、可调抗冲击性和应用(来源:Nature)

传统织物面临转变速度慢、不实用、不安全等问题。王一凡告诉 DeepTech,“链甲”智能织物具有安全、转变速率快、成本低的优势。

第一,该材料的软硬调节通过微型气泵调节气压,对于人体的穿戴来说相对安全;

第二尼龙卷,软硬状态的转变可在 0.1 秒内实现;

第三,以护腕或护肘等小型智能织物为例,其制造成本大概是 100 美元,若日后批量生产预计成本可降低几倍。

尺寸 “大小皆可”,可用于机器人设备、医疗、航天航空等领域

传统的外骨骼设备通过传统机器人技术制造,通常由金属材料构成。虽然支撑力强,但材料过重,不方便日常穿戴,并且有消耗电能高、制造成本高等问题。

而现在,这种智能材料可以取代传统的机器人技术在某些场景的应用。并且,它可实现的尺寸 “大小皆可”,也就是说,只要 3D 打印机的精度足够高,也可以把它做成很轻薄、很小的结构。

王一凡举例说道,“以血管支架或者心脏支架手术为例,如果用这种可随时变软或变硬的材料,那么也许通过微创手术就能将这种很软的支架结构放进人体,当它达到某个固定的位置时,再通过调节让它变硬。”

此外,该材料可用于人的外皮肤做医疗支撑。目前,通常用打石膏的方式来固定手骨折或断骨的患者的骨折部位。但石膏很硬,而且可能一两个月不能拿下来,造成患者行动不便。

如果用这种新型材料,便随时“可软可硬”,当骨折部位需要支撑时,用气压调节使它变硬;当病人需要休息时,再把它变软。此外,如果 3D 打印机或制造设备足够大,这样的结构可在更大的尺度实现。

“比如,可以先把房子或桥梁等大尺度建筑变软,然后‘卷起来’运到某个地方后,再通过改变气压的方式,将其变成坚固的房子或桥梁。”王一凡说。

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图丨从不同受限压力下的模拟获得的微观结构信息(来源:Nature)

一次,王一凡与 NASA 喷气推进实验室(JPL)科学家的交流,让他看到了这种材料应用的更多可能性。JPL 科学家认为,在外太空,可能会有较小的陨石同宇航员高速撞击的危险,如果将这种先进的材料用在宇航服上,也许可以保护宇航员的安全。

“更远些的设想,如果人们想在月球、火星等外太空建造基地,需要较轻的建筑材料,用这种材料则可具有很好的延展性结构。”王一凡说。

对于该材料产业化落地的时间,他认为,小型的医疗支撑应用大概在 5 年内可以落地,而外骨骼系统或者大尺寸的建筑领域应用则预计在 5 到 10 年内。

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标签: 血管支架
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