第一作者：Yifan Wang，Liuchi Li智能織物是一種可穿戴材料，可以感知和響應環境刺激，改變其特性或測量數據并將數據傳遞給外部記錄設備。其應用包括醫療監測、可穿戴計算和能量采集等。具有可適應或可調節機械性能的織物可以向人體提供機械反饋，并執行諸如關節輔助、支撐和觸覺等功能。眾所周知，顆粒狀顆粒或層狀結構的聚集在阻塞（jamming）過程中其機械性能會發生變化。阻塞相變不像普通材料中的那樣依賴于溫度變化，由顆粒物質中的局部幾何約束來控制。阻塞轉變使無序顆粒系統可以在具有類流體塑性的變形和具有類固體剛性的變形之間進行可逆切換，并伴隨著堆積分數的變化。阻塞已被用于制造具有自適應機械特性的智能材料，例如，軟機器人抓手、沖擊吸收材料和可重構結構中。然而，傳統的顆粒狀材料具有致密性，并且在阻塞時需要大的體積來提供足夠的機械剛度。此外，凸粒子組合無法承受張力。這限制了它們的彎曲剛度和拉伸強度，因此不適合可穿戴織物。有鑒于此，加州理工學院Chiara Daraio教授報道了開發了一種由排列成分層鏈甲三維顆粒組成的具有可調彎曲模量的結構化織物。鏈甲形狀復雜，但當在它們的邊界上施加壓力時，顆粒互鎖，且鏈甲阻塞。在小外部壓力（約93千帕）下，這種片材變得比松弛狀態下堅硬25倍以上。這種抗彎強度的顯著增加是因為互鎖顆粒具有高抗拉強度。通過離散元模擬，將鏈甲的微觀結構與其宏觀特性聯系起來，并解釋實驗測量結果。研究發現，由不同的非凸顆粒組成的鏈甲經歷了一個阻塞相變，該相變可通過類似于常規凸介質行為的特征冪律函數來描述。這種具有可調機械性能的織物是用于智能可穿戴應用的有前途的候選材料。受古代鏈甲和拓撲互鎖的啟發，研究人員設計了一種由兩層互鎖顆粒組成的結構化織物。在這種材料中，每個顆粒都是一個空心的三維（3D）結構，由連接的桁架構成，旨在降低整體密度并增強元素之間的接觸（圖1a）。此外，八面體顆粒的90 °旋轉對稱性可以在互鎖構型中形成正方形的2D晶格，并且尖角增加了層之間的接觸。通過將相鄰的顆粒相互旋轉90 °，并通過拓撲互鎖所有顆粒而形成鏈甲。同時，使用選擇性激光燒結方法制造出互鎖晶格，在沒有額外支撐的情況下可以將晶格打印成一塊（圖1b）。此外，研究人員堆疊了兩層鏈甲，以增加顆粒接觸的數量。就像鏈甲一樣，得到的結構化薄片可以自由彎曲、折疊和覆蓋在彎曲的物體上（圖1c，d）。顆粒通過厚度互鎖（即，兩層堆疊在一起，但沒有物理鏈接），可以在層之間滑動，從而實現了更高的靈活性。為了調節織物的有效機械性能，研究人員通過在邊界施加可變壓縮來觸發互鎖顆粒之間的堵塞（圖1e，f）。將兩層封裝在一個氣密的柔性封套中，由于兩層之間具有弱耦合，因此仍然可以很容易地彎曲。為了引發堵塞，研究人員接著施加了一個約束壓力（將空氣從封套中抽出來），導致在織物邊界處產生約束應力。這增加了顆粒的總堆積分數，引發了阻塞轉變，增加了彎曲模量，并將織物轉變為承重結構（圖1f）。為了闡明導致織物彎曲剛度增加的基本機制，研究人員通過數值模擬研究了顆粒之間的微觀相互作用和位移（圖2a）。研究人員通過水平集-離散元方法將鏈甲體系結構建模為一個顆粒系統（LS-DEM）。LS-DEM可以揭示任意形狀顆粒形成的細微結構。通過構建空心八面體顆粒的“digital twin”來對織物建模，然后對其復制和重新排列以再現結構化織物。同時，將實驗中使用的柔性封套建模為離散的彈性層。在校準之后，該模型捕捉動力學的時間演變，并定量預測織物在不同圍壓下的表觀彎曲模量（圖2b）。研究發現，織物的硬挺度需要非常小的體積收縮率（低于5%）。這是因為阻塞是一種急劇的相變，顆粒堆積分數具有很小的變化。對比結果顯示，在相同的約束壓力下，互鎖織物表現出比松散顆粒聚集體更高的彎曲模量（大約高出三倍）。這種阻塞下模量的提高可以歸因于拓撲互鎖引起的顆粒間的拉伸阻力，這在松散的顆粒聚集體中不存在。此外，研究人員們還通過沿不同方向進行彎曲和拉伸模擬，測試了織物的各向異性（圖2c，d）。結果顯示，拉伸變形的各向異性比彎曲變形的各向異性強得多。研究人員分析了不同壓力下織物內各顆粒接觸數的變化。較高的約束壓力會引起更多的顆粒間接觸（圖3a，b）。進一步將顆粒間接觸分為“壓縮”和“拉伸”兩類，并顯示了它們在不同壓力下的空間分布（圖3c，d）。研究人員觀察到兩個結果：1）“拉伸”觸點包含半周期模式的“壓縮”觸點簇；2）兩個織物層之間的顆粒間接觸（在圖3c，d中接近h=0）都是壓縮接觸，這是由于在織物層之間沒有互鎖所致。研究人員繪制了兩種不同約束壓力下法向（Fn）和切向接觸力（Ft）的相應概率分布（圖3e，f）。研究發現，切向力和法向力分布都呈現指數尾部。有趣的是，壓縮接觸和拉伸接觸的分布幾乎相同，尤其是當壓力較大時（圖3f，其中P = 93 kPa）。這一結果表明，在施加的邊界條件相同的情況下，傳統的凸顆粒材料的力分布模式也適用于非凸顆粒材料，在非凸顆粒材料中也可以存在拉伸接觸。為了探索顆粒幾何形狀與受阻結構機械性能之間的關系，研究人員設計了另外五種3D顆粒幾何形狀，并構造了相應的互鎖織物。利用LS-DEM模型來研究這些織物在三點彎曲測試下的力學響應。對于在不同壓力下進行的模擬，計算出每顆粒的平均接觸數（Z，壓縮接觸和拉伸接觸之和），以及接受三點彎曲測試的梁的表觀彎曲模量(E*)。結果顯示，表觀彎曲模量隨著平均接觸數的增加而單調增加（圖3g）。此外，研究人員還模擬了由互鎖的環形和方形顆粒組成的經典鏈甲層（由環形或方形顆粒組成）的兩層堆疊，結果也遵循前面觀察到的冪律標度（圖3g）。有趣的是，在相同的壓力下，經典鏈甲層的堆疊具有更高的表觀彎曲模量。然而，填充率越高，體積密度越高。通過將微觀幾何量（Z）與宏觀力學性能（E*）聯系起來，觀察到的冪律標度對于針對不同應用的自適應結構材料的合理設計具有實際意義。通過定制顆粒形狀，可以在重量和彎曲模量可調整性之間取得最佳平衡。
圖3. 在不同約束壓力下通過模擬獲得的微觀結構信息結構化織物的另一個特點是，在被塞入承重結構之前，它們可以被塑造成不同的幾何形狀。為了證明這一點，我們手動將織物整成平板形（圖4a）和拱形（圖4b）并施加壓力。由此產生的結構具有機械剛性，能夠承受超過自身重量30倍的機械載荷。這種成形能力對于可穿戴應用和可重構結構尤其重要，在可穿戴應用和可重構結構中，織物通常需要符合人體或形成復雜的構造。這些織物還可以作為可調保護層，防止顆粒撞擊。通過落錘沖擊試驗證明了這一特性，將一顆質量為30 g、直徑1.27 cm的不銹鋼珠落在懸浮織物上，沖擊速度為3 m s-1。隨著壓力的增加，鋼珠的侵入深度可以大大減小：從0 kPa下的26 mm（圖4c）減小到67 kPa下的4 mm（圖4d），減少了6倍以上。這項研究系統地探索了由幾何形狀精確控制的非凸互鎖顆粒組成的結構化織物在阻塞轉變過程中的力學行為。由于阻塞轉變是一種尺度不變的物理現象，由離散顆粒組成的可重構織物可以在不同的尺度上實現。原則上，添加劑制造的最新進展使得將織物厚度從微米刻度到米刻度成為可能，并且可以使用不同的構成材料，以針對不同的應用。Wang, Y., Li, L., Hofmann, D. et al. Structured fabrics with tunable mechanical properties. Nature 596, 238–243 (2021).DOI：10.1038/s41586-021-03698-7https://doi.org/10.1038/s41586-021-03698-7
