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在风中驰骋 新型变形材料离市场化还有多远?  

2017-05-26 08:30:07|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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如今越来越多的新型材料走入科学家的视野,新材料的突破,往往引发划时代的产业革命,改变我们所处世界的属性。最近一大波科学家研究出了新型的变形材料...它们的出现有怎样的重大意义?将引发何种的变革?

变形材料:能随时改变形状、大小、硬度

变型材料开始逐渐受到市场和投资人的关注,它既可以改变大小,体积和形状,还可以在折叠平放情况下承受一头大象的重量而完好无损,事后迅速恢复其形状和结构,这意味着它可以用来制造一种独特的材料,处于某个形状时容易变形,处于另一个形状时则坚硬无比。

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这种变形显然不是分子层面的做结构材料的,而是先在一个片状材料上划好痕迹或者挖几个孔,然后就可以实现拉伸大形变。同时这种形变是可恢复的。现在的技术大多要求都是形变要尽量小,主要包括剪纸造成的材料大形变,以及折纸工艺(也就是著名的三浦折叠所引发的技术)。

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其在建筑领域的突破不言而喻,举个例子,变形材料在地震受力到了一定值后只会慢慢地倒,而且达到屈服后还能继续承受等量或更多荷载,这是一种吸能能力的体现。也就是说地震震一下,变形结构短时间内就屈服弯曲了,但是还挺立着。又一次更强的震动来了,弯的更厉害了,依旧挺立。

而今哈佛、麻省理工大学在该技术上更进一步。

变形材料应用:平地起高楼?

最近哈佛工程应用科学学院设计出一款3-D薄壁结构,该材料由若干个单独的模块构成,每个模块包含6个开口的立方体,在气动传输器的作用下发生变形。其成果近日发表于《自然通讯》杂志。

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该结构是在“snapology”的折纸技术启发下研制的,snapology技术也被称为“模块化折纸”,其结构单位由64个单元立方体组成,研究团队将64个单元立方体相连,创造了一个新4x4x4的大立方体。这些立方体可以像折纸一般沿其边缘进行折叠从而发生形状的改变。研究小组已经证实立方体可以变换为多种不同的形状。

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立方体中嵌有气动制动元件,人们可以对该元件进行编程,在不需要任何外部输入的情况下使立方体发生形状和大小改变。

由于该立方体结构的改变不仅会引起形状的改变,还会引起刚性的改变,这就意味着利用类似的设计,人们可以制作出一种既可以非常柔软也可以非常坚硬的材料。

而且这种材料中可以嵌入任何一种类型的制动器,包括热,电介质,甚至是水。


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负责设计的研究人员指出,这种结构系统在动态建筑领域非常具有吸引力,包括搭建便携式庇护所,自适应建筑以及可伸展的屋顶,便于拆卸和组装。伴随着变形过程,该材料硬度将发生改变,这样的建筑结构可以再次竖立起来。

尽管目前这项技术还主要依赖于标准力学,在应用上已经取得了很大的突破,包括对表面和结构的整合,制造的简易性,以及特有的扁平折叠性”Hoberman教授说。

这种材料还用于研制新类型可移动式屋顶,按照设计需要,将屋顶折叠起来或者改变墙壁外形。通过结合这些挤压立方体成为一个较大的3D组装结构,研究人员能够建造具有新奇属性的建筑材料。

变形材料应用:在风中驰骋

有独无偶,几天前,美国麻省理工学院的工程师Pedro Reis也发明了一种名叫“smorph”的变型材料,其旨在通过变型材料的不断自动微调来加快物体运动速度。

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这种smorph材料共有三层,最中间是一个核,核外围是一层又厚又黏的混合聚合物,最外层使用了相对较硬的物质来。其原理与葡萄干制作过程相似,当核中的空气被抽出一定量时,中间层发生收缩,因此外壳受到空气压力发生形变。这种“变型”使得运动的smorph球周围产生微型涡流,形成保护膜,隔绝周围空气的影响,从而加快了速度。该材料未来可用于汽车或飞机等交通工具的制造。

宝马公司的“变形汽车”概念尝试

相比科学家的象牙塔技术,宝马公司已经将变型材料融入自己的概念车型之中。

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日前,宝马公司在其百周年庆中展示了一款新型的概念汽车,名叫Vision Vehicle。其设计便采用了变形材料,它可以带来某种程度的变形能力,把车轮与车身融为一体。车轮转向过程中,无论处于何种位置,车身始终能像一层柔软的皮肤一样包裹住车轮。

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Vision Vehicle的另一大特色功能在于Alive Geometry,约有800个可移动的三角设定在仪表板和侧面板等区域,通过三维运动与驾驶者进行沟通。并可通过挡风玻璃上的变型来增强司机视觉感官,以提醒道路上的潜在危险,无论是静态还是动态的。

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根据宝马集团的展望,它将通过变型材料配合人工智能提供全新的出行体验。

当然如果笔者没有记错的话,早在2008年,宝马公司便试图打造布料变形汽车,其希望通过无缝且光滑的纤维布料伸展,从而让司机随心所欲地改变汽车的形状。布料外壳覆盖在铝制框架上,通过电动与水压传动装置来控制框架的变动,来进一步改善行车体验。

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不得不说宝马公司卖得一手好概念。

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