在荷蘭，有一群科學家正在忙著設計格子狀的3D打印結構以用其測試一種獨特的全新機械材料。這種材料能夠在一些關鍵點上被操縱，有可能被用做框架的絕緣體。在一篇剛剛發表在《Proceedings of the National Academy of Sciences》的論文中，研究人員們描述了他們如何使用一些特定的點來“塑造”各種區域，這種結構是能夠屈曲的，它們能夠基於溫度、壓力或者由於一個係統出現的偏差的因素變形為另外的形狀。這裏所謂的係統，可以被認為是某些基礎設施，或者像橋梁、大廈的施工區域。

這篇論文的題目是《拓撲超材料通過自應力的選擇性屈曲（Selective Buckling via States of Self-stress in Topological metamaterials）》。這種超材料的結構也是3D打印的，它展示了3D打印如何能夠促進自我可持續性，在本文的這種情況下，這種結構能夠變換拉力和壓力來緩和應力或完全避免故障。通過研究人員的新型3D打印材料並根據其後續的設想，該結構將擁有內(nei) 置的靈活性，可在外來因素的影響下最終保持強度和完整性，但是您光看是看不出來的。

“這些局部壓曲區域的顯著特征是，它們(men) 與(yu) 周圍的結構是混為(wei) 一體(ti) 無法區分的，甚至包括作為(wei) 建築要素的材料參數或者連接性而言。”研究人員Jayson Paulose、Anne S. Meeussen和Vincenzo Vitelli在他們(men) 的論文中稱，“此外，它們(men) 對大範圍的結構擾動具有很強的抗性。”也就是說，平時看不出來，當受到壓力或其他因素影響的時候，這些結構區域就會(hui) 表現出與(yu) 眾(zhong) 不同的性質，起到“隱形梁”或者其他功能的作用，如下圖。

 

該項目是在萊頓大學（Leiden University）的拓撲力學實驗室完成的，研究負責人為(wei) Vincenzo Vitelli。

“這個(ge) 設計一開始基於(yu) 一個(ge) 總體(ti) 的概念，你可以把它比喻成實體(ti) 的“預感”。”合作者Paulose解釋說，“將這些拓撲思想用在這些超材料設計上的主要優(you) 勢在於(yu) 拓撲材料肯定會(hui) 在這些邊界出現有趣的行為(wei) 。”

科學家們(men) 此項研究的基礎，是一種被稱為(wei) “拓撲絕緣體(ti) ”的新的物質狀態，這種物質具有獨特的屬性，可以被用在機械工程和其他部門——比如醫藥。這也導致了科學家們(men) 要對根據這一理念3D打印的材料結構進行測試，看看機械載荷會(hui) 受到什麽(me) 樣的影響.。

“我們(men) 原本預期在這個(ge) 設計可以發揮作用之前會(hui) 有一些反複的試錯。但是，我們(men) 從(cong) 3D打印公司拿回來的第一批實驗樣品一拿出來就表現的非常好。”Paulose說。

研究人員主要的關(guan) 注點是機械載荷以及這些3D打印的超材料——其具有可獲得的屈曲性能——可以如何用在傳(chuan) 統和現有的結構和設備的改進上。

 

在使用“自應力的魯棒狀態（robust states）”來設計拓撲超材料中的屈曲區域中，研究人員使用了3D打印來驗證他們(men) 的觀點，並將其作為(wei) 研究證據。他們(men) 使用一個(ge) 3D打印的超材料結構非常簡單和清楚地展示壓縮如何會(hui) 引起這些由特殊拓撲結構構成的“隱形梁”產(chan) 生有利的屈曲，並再次用他們(men) 的3D模型指出了這些屈曲區域是無法用肉眼區分的，而且也不會(hui) 顛覆一個(ge) 結構的構建。