逆向設(shè)計(jì)與4D打印在力學(xué)超材料領(lǐng)域交匯

工程師們現(xiàn)在可以定義目標(biāo)力學(xué)響應(yīng)，并生成可打印的晶格結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)該響應(yīng)，將材料設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€可編程過程。

工程師們正越來越多地將生成式設(shè)計(jì)算法與4D打印相結(jié)合，創(chuàng)造出其行為由幾何形狀而非化學(xué)成分決定的力學(xué)超材料。設(shè)計(jì)師們不再需要選擇一種材料并測試其極限，而是可以指定一個目標(biāo)力學(xué)響應(yīng)，然后生成實(shí)現(xiàn)該響應(yīng)的微觀結(jié)構(gòu)。

加州大學(xué)伯克利分校的鄭小雨博士團(tuán)隊(duì)展示了這種逆向設(shè)計(jì)方法最清晰的例證之一。他的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一個機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)，允許用戶定義目標(biāo)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。然后，算法會生成一個被設(shè)計(jì)用來復(fù)現(xiàn)該響應(yīng)的、可打印的晶格架構(gòu)。

"我們基于機(jī)器學(xué)習(xí)的設(shè)計(jì)方法能夠快速創(chuàng)建具有用戶指定性能和目標(biāo)特性的材料，"鄭解釋道。在實(shí)踐中，工程師可以指定剛度曲線、變形路徑或能量吸收曲線。一個深度學(xué)習(xí)模型會將該性能目標(biāo)映射到可制造的微觀結(jié)構(gòu)上。一旦使用先進(jìn)的增材制造技術(shù)制造出來，最終得到的超材料就能接近預(yù)設(shè)的行為，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證報(bào)告的準(zhǔn)確率接近90%。

這種由人工智能驅(qū)動的設(shè)計(jì)方法準(zhǔn)確度驚人：在鄭的實(shí)驗(yàn)中，學(xué)習(xí)得到的超材料結(jié)構(gòu)復(fù)現(xiàn)目標(biāo)力學(xué)行為的準(zhǔn)確率"接近90%"。值得注意的是，該系統(tǒng)有能力產(chǎn)生以前無法實(shí)現(xiàn)的新穎行為，例如具有特殊特性和定制能量吸收率的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

換句話說，設(shè)計(jì)師可以，例如，定義一個符合特定曲率以減輕特定沖擊影響的頭盔內(nèi)襯，然后將設(shè)計(jì)過程的其余部分交給軟件和打印系統(tǒng)。正如鄭所指出的，這種設(shè)計(jì)過程的倒置——從期望的曲線到微觀結(jié)構(gòu)——是一種范式轉(zhuǎn)變："我們不再局限于自然界中存在的材料。"

4D打印的角色

將這些由人工智能優(yōu)化設(shè)計(jì)與4D打印過程相結(jié)合，將這些想法變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。4D打印的概念最早于2013年提出，它使用"智能"材料，這些材料被編程為能夠隨時間推移對外部刺激做出反應(yīng)。例如，一個4D打印部件在制造時可能被固定在一個臨時形狀，然后在加熱時變回其原始形態(tài)。

常見的可4D打印智能材料包括形狀記憶聚合物、刺激響應(yīng)型水凝膠和液晶彈性體。每種材料都響應(yīng)特定的觸發(fā)因素，以驅(qū)動運(yùn)動或剛度變化。

4D打印的超材料能夠自組裝、變形和適應(yīng)。正如最近的一篇綜述所示，4D打印過程已經(jīng)在生物醫(yī)學(xué)、航空航天、軟體機(jī)器人、智能紡織品等領(lǐng)域開辟了新的途徑。

例如，一個4D打印的超材料在太空中可以用作天線或太陽能電池板，一旦進(jìn)入軌道就固化為一個高性能結(jié)構(gòu)。另一個例子是，4D打印的支架和植入物可以保持緊湊，一旦暴露于體溫就會膨脹。

該領(lǐng)域正在迅速發(fā)展，預(yù)計(jì)到2030年，4D打印市場將達(dá)到13億美元；然而，它也受到強(qiáng)效智能材料可用性的限制。

應(yīng)用：從太空天線到軟體機(jī)器人

工程師們已經(jīng)在探索由人工智能設(shè)計(jì)的4D超材料的各種高影響力應(yīng)用。在航空航天工業(yè)中，輕量化和可展開結(jié)構(gòu)是一個自然的應(yīng)用領(lǐng)域。例如，4D打印的超材料晶格可用作在太空中自折疊的太陽能電池板或天線。

關(guān)于印刷電磁超材料的媒體報(bào)道指出，與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，增材制造的天線結(jié)構(gòu)顯示出"更高的增益、更寬的帶寬和更好的小型化"。通過編程使打印的晶格在展開后變硬，航天器可以攜帶無需額外致動器就能鎖定剛性的大型結(jié)構(gòu)。

在軟體機(jī)器人領(lǐng)域，動態(tài)控制剛度的能力非常受歡迎?？茖W(xué)家們已經(jīng)展示了4D打印夾持器和致動器的潛力，它們利用超材料設(shè)計(jì)的力量來實(shí)現(xiàn)柔性和魯棒性之間的平衡。

例如，哈爾濱工業(yè)大學(xué)冷勁松教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)3D打印了一種受自然啟發(fā)的多材料聚合物晶格。這種"仿生"結(jié)構(gòu)包含不同形狀記憶聚合物共混物的區(qū)域，因此在熱或光的作用下，它可以根據(jù)需要扭轉(zhuǎn)、彎曲、變硬或軟化。

冷勁松設(shè)想這種晶格可以作為柔性機(jī)器人皮膚，"實(shí)時調(diào)整其剛度以滿足不同的任務(wù)要求"，例如，為舉升而收緊，為安全抓取而軟化。在實(shí)驗(yàn)中，他的4D晶格原型可以記住多個形狀并在它們之間切換，有效地使一個部件執(zhí)行多個角色。

4D超材料也有望用于實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)減振和沖擊阻尼。例如，研究人員已將4D打印的形狀記憶聚合物晶格與用于飛機(jī)起落架的編織設(shè)計(jì)相結(jié)合。

在一項(xiàng)此類研究中，開發(fā)了一種PLA形狀記憶編織物，旨在沖擊后通過再加熱過程恢復(fù)其原始形狀。沖擊實(shí)驗(yàn)顯示其比能量吸收能力為3.3 J/g，晶格結(jié)構(gòu)在80°C下需要幾秒鐘才能完全恢復(fù)。

據(jù)報(bào)道，這項(xiàng)研究代表了抗沖擊航空部件的一種新范式，促進(jìn)了電動垂直起降飛行器可重復(fù)使用吸能結(jié)構(gòu)的發(fā)展。展望未來，類似的印刷超材料可用作機(jī)械或橋梁的自適應(yīng)減振器，在需要減緩沖擊時變硬，在需要允許運(yùn)動時變軟。

其他潛在應(yīng)用包括醫(yī)療植入物和智能紡織品。在各個領(lǐng)域，這些進(jìn)步都是通過生成式設(shè)計(jì)和智能材料打印的結(jié)合而實(shí)現(xiàn)的：工程師現(xiàn)在可以指定所需的精確力學(xué)響應(yīng)，而由人工智能驅(qū)動的流程將產(chǎn)生一個可打印的晶格來實(shí)現(xiàn)它。確實(shí)，印刷電磁超材料的出現(xiàn)"為那些適應(yīng)性至關(guān)重要的領(lǐng)域開辟了新的可能性，如航空航天和生物醫(yī)學(xué)工程"。

案例研究

一個引人注目的例子是來自麻省理工學(xué)院/諾丁漢特倫特大學(xué)研究人員的元層壓板夾持致動器。一個二維的熱塑性形狀記憶聚合物晶格被設(shè)計(jì)成獨(dú)特的打印幾何形狀，在真空袋中具有拉脹單元。

加熱時，形狀記憶聚合物變軟，真空釋放，形成一個可以適應(yīng)不規(guī)則物體的軟致動器。當(dāng)致動器在真空下冷卻時，晶格結(jié)構(gòu)中發(fā)生夾持，使得致動器無需電力輸入即可變硬。

此外，該致動器具有零輸入功率夾持能力，因?yàn)橐坏┳プ∥矬w，它就能在沒有電力的情況下牢牢抓住物體。此外，元層壓板夾持致動器是完全可逆的，重新加熱時會恢復(fù)到原始狀態(tài)。臺架測試顯示，變硬的夾持器可以支撐高達(dá)200克的重量。因此，這種四維打印的超材料致動器可以根據(jù)需要在柔軟和堅(jiān)硬模式之間切換，使其成為一種變形的機(jī)器人手指。

在另一個應(yīng)用中，由祝西哲教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)利用4D打印技術(shù)制造用于沖擊防護(hù)的編織超材料。作者們通過使用形狀記憶聚乳酸，開發(fā)了一種包含六邊形和菱形晶格圖案的交織結(jié)構(gòu)，從而創(chuàng)建了一種多尺度材料復(fù)合材料。

在施加沖擊壓縮時，編織結(jié)構(gòu)通過組成該結(jié)構(gòu)的材料層的逐漸變形成功耗散了沖擊能量。單位重量的能量吸收被發(fā)現(xiàn)為3.3 J/g，與減震器相似。

此外，該材料結(jié)構(gòu)在施加沖擊后能夠恢復(fù)到初始狀態(tài)，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)被置于80°C的熱空氣中，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在幾秒鐘內(nèi)完全恢復(fù)。因此，該研究成功證明了可重復(fù)使用起落架緩沖材料的創(chuàng)造。

正如作者所指出的，這種方法"為抗沖擊航空部件設(shè)計(jì)建立了新的范式"，特別是在對重量和可重復(fù)使用性至關(guān)重要的電動垂直起降飛行器中。該研究強(qiáng)調(diào)了4D打印在制造抗沖擊航空材料形式的自適應(yīng)減振器方面的潛力，在這種材料中，結(jié)構(gòu)可以響應(yīng)不同的沖擊條件而改變其能量吸收模式。

人工智能與4D打印的融合正在引領(lǐng)力學(xué)超材料的新時代。正如鄭小雨所說，我們現(xiàn)在可以制造出具有"包含先進(jìn)特征、曲率和形狀以及定制能量吸收的應(yīng)力-應(yīng)變曲線"的材料——這些行為在天然材料中是見不到的。

工程師們設(shè)想了一個未來，橋梁支撐主動適應(yīng)交通負(fù)荷，飛機(jī)蒙皮在湍流中變硬，外科植入物在體內(nèi)緩慢改變形狀。挑戰(zhàn)是真實(shí)的，但回報(bào)也同樣巨大。上述每個案例研究都展示了可編程物質(zhì)如何在沒有機(jī)械致動器的情況下執(zhí)行多種角色。

工程現(xiàn)實(shí)

該領(lǐng)域仍然受到材料性能、疲勞抗力、可擴(kuò)展性和制造速度的限制。機(jī)器學(xué)習(xí)可以生成可行的架構(gòu)，但實(shí)際部署取決于耐久性、可重復(fù)性和認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。

即便如此，由人工智能驅(qū)動的逆向設(shè)計(jì)與4D打印的融合標(biāo)志著一個有意義的轉(zhuǎn)變?，F(xiàn)在可以先指定力學(xué)響應(yīng)，然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)編碼。工程師們不再圍繞固定的材料特性進(jìn)行設(shè)計(jì)，而是越來越多地設(shè)計(jì)特性本身。

其結(jié)果不是"智能物質(zhì)"，而是可編程力學(xué)——那些無需傳統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)就能適應(yīng)、恢復(fù)和重構(gòu)的結(jié)構(gòu)。隨著增材制造和智能材料的成熟，這些架構(gòu)系統(tǒng)可能會從實(shí)驗(yàn)室演示走向主流工程應(yīng)用。

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