鋁合金3D打印製造而成的八面體結構單元，透過相互連線製成的鍊甲狀材料。
研究人員手持類似“鎖子甲”的材料樣品。
測試材料在未被壓實（軟）時的抗衝擊性。
當顆粒單元結構壓實後，可承載超出材料本身重量很多的負載，更多材料有望成為製造堅固可靠的橋樑的用材。
蝙蝠俠飛行時柔軟的披風會變成滑翔傘。
材料是發展工業的重要物質基礎。材料學的發展和製造技術的進步，使傳統材料不斷煥發新生的同時，新材料也層出不窮。隨著工業裝備和產品的不斷升級，材料也逐漸向自主化、智慧化方向發展。響應外部環境變化而自主改變固有特性的材料，未來有望在智慧機器人、高階醫療裝置、先進航空航天裝備等諸多領域發揮重要作用。如今，這種隨環境和工況發生變化的智慧化材料概念，已經衍生出了新的概念產品。近期，加州理工大學和新加坡南洋理工大學的工程師們聯合開發了一種新材料，在承受極強外部壓力的情況下，這種材料從可摺疊的柔軟流動狀態轉變形成具有極強剛性和硬度的特定形狀。
設計靈感源自“鎖子甲”和“蝙蝠俠”
研究人員的目標是創造一種“可以根據指令改變剛度的材料”。這種材料可以一種可控的方式在柔性和剛性狀態間切換，從而能夠承受一定的載荷。為了實現這一點，首先需要確定其中的基本原理和技術路徑。
若想確保材料結構本身能夠承受足夠的載荷，用材方面必須考慮具有足夠強度的基礎材料。同時，為了保證材料能夠兼顧柔軟和剛度的要求，研究人員參考了歐洲中世紀士兵身著的鎖子甲。在冷兵器時代，這種鎖子甲相較於厚重的鐵皮盔甲，能夠最大限度地保證穿著舒適性和士兵的機動性，同時也能夠提供良好的防護性。
為了讓鍊甲材料能夠實現“軟”到“硬”之間的智慧變化，研究人員需要從材料的內部結構入手思考。研究人員受到了2005年電影《蝙蝠俠·起源》中蝙蝠俠披風的啟發——在通常狀態下，披風是柔軟可隨風飄揚的，但在蝙蝠俠需要飛行時，披風可以瞬間變成有一定剛性的滑翔翼。研究人員認為，材料這種變化是透過內部結構單元“收”和“放”之間的不斷轉變產生的，在生活中可以經常見到類似的例子，如真空密封包裝的咖啡、豆類或大米：當真空包裝未解封時異常堅硬，可承受很高的外部載荷保證不變形，包裝內部顆粒處於一種緊密壓實的狀態，但是一旦真空包裝被破壞，空氣進入，顆粒之間縫隙增加，不再像真空袋時那樣相互貼緊，因此可像傾倒液體一樣將輕鬆倒出。
正是以鎖子甲和蝙蝠俠披風為設計輸入，研究人員最終設計了一種利用中空微小結構單元以互鎖的形式形成可以根據需求改變剛度的整體織物，他們稱其為“可穿戴結構化織物”。
新材料實現效能的基本原理
無論是咖啡、豆類或是大米，它們共同的特點是顆粒間彼此各不相同，具有不規則的表面，因此只有在壓縮時才會壓實引起整體變硬。如果使用相對規則結構的連線環片材，則可以在壓縮和拉伸兩種狀態下，都能形成
緻密緊實的結構，承受一定載荷。這就是實現這種材料概念的關鍵。研究人員測試了許多不同外形的結構，尋找那些既具有靈活性又能夠實現可調剛度的結構單元，僅在施加壓力的條件下透過壓實改變硬度的結構單元效能表現並不理想。
為了實現最佳效果，研究人員探索了多種不同的結構單元，其中包括連線環、連線立方體、連線八面體（類似於底部相連的兩個金字塔）等，並將其3D打印出來。隨後，研究人員在計算機中利用材料建模的方式對新材料的結構特性進行模擬分析。研究人員表示，這種由結構單元相互作用組合構成的材料是一套複雜系統，在結構單元間產生簡單的相互作用可以導致結構上產生複雜力學行為。在這種類似鎖子甲材料結構中，每個結構單元具有的承載拉伸載荷的能力改變了遊戲規則，就像一根繩子可以承受相當可觀的壓縮載荷一樣。這種理念為設計出超越傳統認知的結構和效能躍升的材料打開了大門。
測試結果印證了新材料的優異效能
對於這種材料的承載能力，研究人員進行了一系列測試。研究發現，機械效能（從柔軟到堅硬）變化最大的織物是顆粒結構單元間平均接觸次數較多的織物，因此連線八面體結構最終脫穎而出。研究團隊利用尼龍塑膠3D打印出了八面體結構單元，並使其按照“鎖子甲”結構排列，然後將其真空壓實封裝在塑膠信封中。顆粒之間的堆積密度顯著增加，八面體顆粒之間的接觸點明顯增多，從而使結構剛性提高25倍。在一項實驗中，利用真空壓實的“鎖子甲”結構織物能夠承受1.5千克的負載，達到了自身重量50多倍。
為了使材料效能更好，研究人員測試了使用鋁合金3D列印了這種材料結構單元，發現由鋁合金製造的“鎖子甲”結構具有與尼龍款相同的柔韌性和柔軟度。但是壓實在一起時，由於鋁合金結構單元與尼龍相比強度、硬度均更高，因此，鋁製材料整體結構的硬度和剛度都要高得多。
潛在應用
這種織物材料在智慧可穿戴裝置中具有潛在的應用價值：在結構未壓實時，材料重量輕、柔軟且穿著舒適；在結構壓實後，它能夠成為穿戴者身體上的支撐和保護。如果將這種獨特設計的金屬“鎖子甲”結構織物用凱夫拉縴維進行封裝，即可形成防護能力更強的防彈背心。其他的一些潛在應用包括機械外骨骼，醫藥領域中隨著患者康復而改變剛度的自適應模型。研究團隊目前正在努力提高材料的效能，並正在研究使其變強變硬的新方法，包括磁性、溫度和電力等外部因素。
在另一項研究中，研究人員正探索一種可自主調節強度的橋樑結構。研究人員設想利用鋼索貫穿整個橋體用材，然後透過拖拽鋼索使橋樑用材內部結構單元變得緊實，就與連帽衫拉繩原理一樣。研究人員正在探索這種鋼索貫穿橋樑方案或其他方案的可能性。
關於這種智慧織物的相關研究成果已經在《自然》期刊中發表，題目為“具有可調機械效能的結構化織物”。這項研究工作已經得到了加州理工學院Foster和Coco Stanback太空創新基金、Facebook公司（現Meta公司）和美國陸軍研究辦公室的支援。
與此同時，在並行開展的一項智慧表面研究工作中，研究人員希望能夠得到按指令形變的智慧表面結構。研究人員展示了一種透過嵌入熱響應網路的方法來控制表面形狀的液晶彈性體（LCE），這是一種在加熱時會緊密收縮的聚合物薄條。這種液晶彈性體內部包含可拉伸的加熱線圈，可透過電流充電，加熱它們並使整個結構收縮。當LCE收縮時，研究人員可牽引嵌入其中的柔性材料並將其壓實成此前設計好的固體形狀。
上述工作的相關成果已經於2021年4月7日發表在《科學·機器人》（Science Robotics）期刊中，論文題為《機器人與可逆的、時空控制形狀和變形物件操縱面》，由美國科學基金會和陸軍研究辦公室資助。這種材料對於遠端協作（協作過程中使用的物理元件）、醫療裝置和感測觸覺裝置（使用技術模擬虛擬現實的物理感覺）等方面用途廣泛。未來，研究團隊計劃對結構化織物和智慧系統進行小型化設計和進一步效能最佳化，使其更接近實用。
