01研究背景
具有可调弹性特性的材料为智能机器、机器人、飞机和其他系统提供了巨大的可能性。然而，即使诱导相变，传统材料的弹性在操作中几乎无法改变或调整。机械超材料是一种人工构建的材料，其性能超越了传统材料。可调弹性在可重构超材料中是可能实现的，但现有设计中连续可调性会受到结构不稳定、鲁棒性弱、塑性失效和响应缓慢等问题的困扰。
02研究成果
国防科技大学方鑫和温激鸿、香港理工大学成利、德国卡尔斯鲁厄理工学院PeterGumbsch等人合作报道了一种超材料设计范例，使用具有编码刚度梯度的齿轮作为组成元素，并组织齿轮簇以实现多种功能。即使在重载情况下，该设计实现了连续可调的弹性特性，同时保持稳定性和鲁棒性。这种齿轮基超材料具有优异的性能，例如杨氏模量连续调制两个数量级，超软和固态之间的形状变形，以及快速响应。该研究使完全可编程的材料和自适应机器人触手可及。相关研究工作以“Programmablegear-basedmechanicalmetamaterials”为题发表在国际顶级期刊《NatureMaterials》上。
03图文速递
研究者设计了一种全新的范例。首先，通过装配具有内置刚度梯度的元件来实现可调性。其次，元件之间的耦合必须符合大变形。想要实现这种可调但坚固的材料，需要确保在大作用力下的可调性和鲁棒可控性，同时避免调谐中塑性变形。这种可变但强耦合可以通过齿轮组实现。由于可靠的齿轮啮合，齿轮可以平稳地传递旋转和沉重的压缩载荷。另外，刚度梯度可以构建到单个齿轮体中，也可以通过分级齿轮组件实现。齿轮组可以组装成歧管，并且可以作为元胞定期排列以形成超材料（图1c）。由于存在许多齿轮装配体系结构，因此提出的设计理念非常通用。
图1.机械超材料的设计理念
第一个原型是使用紧密耦合的周期齿轮和两个晶格框架创建的，以将齿轮排列成简单的二次模式（图2a）。平面齿轮包含空心部分。外部形成两个弹性臂，其径向厚度随旋转角度θ平滑变化。在承受压缩载荷的情况下，臂的变形主要是弯曲（图2c）。可调性取决于内置空心部分的形状。受中国太极图启发，图2b以螺旋方向为特征，可以提供平滑变化和极性。在任何两个啮合齿轮中，旋转方向相反。此外，正面和背面太极图案的螺旋方向是相反的。因此，一对齿轮的啮合模式有两极。
图2.基于太极齿轮的机械超材料
研究者证明了即使是在微尺度上，基于齿轮的集成超材料也可以通过三维打印直接制造。这种集成制造的主要挑战是确保啮合齿不会融合在一起，但仍能有效地参与啮合。为了解决这个问题，在装配的数字模型中，啮合齿表面之间保留了一个小间隙。研究者采用投影微立体光刻3D打印技术制造了一种由5×6太极齿轮组成的集成微超材料（图2h）。太极齿轮的直径和齿厚分别为3.6mm和μm，最厚臂为75μm。微齿轮以P+（0°）排列，齿间保留的最小间隙为32μm。样品由杨氏模量为3.5GPa的光敏树脂制成。使用这种集成设计策略，齿轮基超材料可通过适当的高分辨率大规模3D打印设备在齿轮的尺寸和数量上进行放大。
图3.由行星齿轮系统组成的超材料
第一种超材料仅在压缩载荷下可调。拉伸载荷由框架承担，拉伸模量为Et=Ef。对强超材料来说，其压缩模量和拉伸模量均可调，同时保持结构完整性，这可以通过将行星齿轮系统组织为元胞来实现（图3a）。元胞包含六个齿轮：一个内齿圈、一个中央太阳齿轮和两对行星齿轮A1–A2和B1–B2，其中齿轮中心A1–O–A2和B1–O–B2共线。使用这个齿轮簇，研究者创建了一个层次分明的强超材料，其可调性来自元胞内齿轮的相对旋转。环厚度均匀，相邻环在二次晶格中刚性连接，从而确保结构完整性。即使在张力下，齿也能防止两个齿轮之间的相对滑动。对于组装的超材料，所有太阳齿轮通过轴连接到传动齿轮，这些传动齿轮紧密耦合。因此，通过旋转传动齿轮可以实现所有元胞模式的鲁棒重构。
图4.剪切作用下的强或超软超材料
有趣的是，图2a中的超材料在压缩应力下保持稳定，并在剪切时显示出较大的刚度。支撑稳定性的因素之一是啮合齿在不同点的不均匀载荷，会导致弯曲变形，将齿紧紧地夹在一起。超材料的剪切模量G=Gg+Gf，由齿轮（Gg）和框架（Gf）产生的剪切模量组成。剪切力诱导齿轮旋转和行星旋转。
研究者提出了几个场景来展示齿轮基超材料的广泛应用潜力。对于机器人，可调刚度腿/执行器可提供高刚度以在行走时稳定支撑重物，低刚度以在跳跃或跑步时提供减震保护。航空发动机挂架系统中需要类似的可调刚度隔离器，以在不同飞行阶段保持最佳性能和效率。基于齿轮的快速响应超材料可能会产生敏感的变刚度蒙皮，一直备受