Kirigami(剪紙藝術)是一門古老的藝術,通過巧妙地切割和操縱一張紙,可以創造出迷人的裝飾品。目前,這種藝術形式已經逐漸發展成為一種設計和制造框架,能夠創造不同規模的多功能材料和結構。通過巧妙地設計幾何狹縫,簡單的二維薄板可以在外界刺激下轉化為復雜的三維結構,具有獨特的可編程力學性能。許多基于Kirigami的可穿戴電子器件忽視了動態力學性能設計的重要性,針對動態沖擊載荷下的力學響應研究較少。隨著人們安全意識的不斷提高,對可穿戴防護設備的需求也隨之增加。在一些研究中,Kirigami結構被證明是抗沖擊設計的理想選擇。然而,目前應用于抗沖擊領域的Kirigami結構往往為剛性結構,這與可穿戴設備設計中對柔性和適應性的要求是背道而馳的。
為了解決這一矛盾,中國科學技術大學龔興龍團隊受自然界中穿山甲防護策略的啟發,將Kevlar、導電剪切變硬彈性體(c-SSE)和PET結合在一起,基于Kirigami結構,開發了一種柔性智能復合材料(Kiri-Kevlar)。Kiri-Kevlar具有優異的力學性能,并且可以在2D和3D模式之間無縫轉換。3D結構化Kiri-Kevlar的結構剛度與c-SSE應變率敏感特性協同作用,實現了高沖擊能量耗散功能。當人體受到沖擊,身體的潛意識動作(如蜷曲或彎曲四肢),會迅速觸發Kiri-Kevlar的三維結構激活,從而抵御沖擊。此外,可穿戴的Kiri-Kevlar可以基于其力-電耦合機制實現人機交互,為新一代智能防護設備提供了思路。相關研究成果以 “Subconsciousness-triggered” human body defensive strategy: Bi-stability intelligent joint with bionic kirigami structure 為題,發表在國際Top期刊Composites Part B: Engineering上。論文的第一作者為中國科學技術大學工程科學學院博士生周建宇,通訊作者為龔興龍教授、王勝副教授。
圖1 摘要圖
圖2 Kiri-Kevlar制備工藝與結構變形示意圖
圖3 軸向載荷下Kiri-Kevlar的結構演化研究
圖4 Kiri-Kevlar在壓縮加載下的力學行為
圖5 Kiri-Kevlar的動態力學響應研究
圖6 Kiri-Kevlar的力-電耦合研究與人機交互功能開發
原文鏈接:
Jianyu Zhou, Mei Liu, Sheng Wang, Junshuo Zhang, Mingyang Ni, Shuai Liu, Yu Wang, Huaxia Deng, Bing Liu, Xinglong Gong. “Subconsciousness-triggered” human body defensive strategy: Bi-stability intelligent joint with bionic kirigami structure. Composites Part B: Engineering 2024, 277, 111368. DOI: 10.1016/j.compositesb.2024.111368
https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111368
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