哈佛大学约翰·A
保尔森工程和应用科学学院 信用:Pixabay/CC0公共领域 当谈到多孔超材料时——无处不在的海绵状材料，用于从吸声到自清洁玻璃的所有领域——关键在于如何切片
哈佛大学约翰·A
Paulson工程和应用科学学院(SEAS)和哈佛设计研究生院(GSD)的研究人员发现，以45度角切割具有周期性孔阵列的弹性体块，而不是典型的90度直切，改变了材料的行为，赋予其新的特性，并为这种长期研究的材料开辟了一系列新的应用
“多孔超材料已经被深入研究了很多年，并得到了很好的理解，但我们发现仍然有令人惊讶的新途径可以探索，”SEAS应用力学教授兼该研究的高级作者Katia Bertoldi说
这项研究发表在《极限力学快报》上
先前的研究，包括在Bertoldi实验室进行的研究，证明了当具有正方形排列的孔或通道的多孔超材料被压缩时，分隔孔的梁状韧带弯曲并导致圆孔突然转变为椭圆
这种可逆的形态变化已经被用来构建具有不同寻常的机械特性的结构，这些结构可以用作光子和声子开关、彩色显示器以及能够抓取和行走的软机器人
这些转变在历史上是在平面内研究的，这意味着在整个致动过程中材料的表面保持平坦
但是，通过简单地以一个角度切割这种周期性几何形状，哈佛大学的研究人员发现了如何在材料中实现平面外或三维转换
在以45度角切割材料后，该团队在材料的两面覆盖了一层薄的弹性薄膜，并连接了一个气泵
当所有的空气从材料中排出时，分隔孔隙的韧带向外弯曲，导致材料表面出现隆起
当空气被泵回时，随着表面恢复平坦，脊消失了
这种蠕虫状机器人通过改变身体各部分与地面之间的摩擦力来缓慢前进
鸣谢:贝托尔迪实验室/哈佛SEAS “这种几何变换以前从未在这类材料中探索过，因为没有人想到用这种方式切割它们，”马修·C
Fernandes是SEAS大学和哈佛大学艺术与科学研究生院的前研究生，也是该论文的第一作者
这种表面形态的变化可以用来改变材料和底层表面之间的摩擦
为了证明这种效果，在一个实验中，研究小组将小丙烯酸球附着在多孔块的表面
在正常气压下，球体与下表面保持接触，当石块滑下斜坡时，球体起到轮子的作用
当空气被抽走后，球体被拉进材料中，因为摩擦力较大的隆起物会弯曲，而石块则保持不动
研究人员还展示了相反的方案，即在砖块完全膨胀时，附着像滑板一样的鳍来增加摩擦，并在空气被抽空时，允许砖块滑过表面
利用这两种设置，研究人员建造了一个蠕虫状机器人，通过改变身体各部分与地面之间的摩擦力来缓慢前进
在另一个实验中，研究小组用反光涂料覆盖石块，并证明了当表面改变拓扑结构时，从石块表面散射的光可以改变
“第三维度的这种变化为不同的应用开辟了许多可能性，”GSD大学的高级研究员、论文的第一作者之一绍拉布·姆哈特尔说
“它可以改变光的反射方式、液体的流动方式以及声音的吸收和反射方式
它甚至可以用在运动鞋的鞋底，以改变行走或跑步时的牵引力水平
" “这种材料本质上是多功能的，使其更适用于现实世界的设备和应用，因为你不需要向系统添加额外的组件来实现这些不同的行为，从而大大简化了设计和制造过程，”SEAS的高级科学家和论文的合著者詹姆斯·韦弗说
“这个项目是SEAS大学和GSD大学研究人员近几十年合作的又一个成功案例，”GSD熊谷建筑技术教授、哈佛大学设计工程硕士项目的联合主任、该研究的共同作者马丁·贝克霍尔德说
“我们将继续突破科学与设计之间的传统壁垒，追求创新的解决方案，这种解决方案只能通过创新思维以及快速迭代循环中的想象和构建能力来实现
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