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中國科大龔興龍團隊Compos. Part B-Eng.: “潛意識觸發”的人體防御策略-仿生雙穩態Kirigami結構智能關節
2024-04-06  來源:高分子科技

  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,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-SSEPET結合在一起,基于Kirigami結構開發了一種柔性智能復合材料Kiri-KevlarKiri-Kevlar具有優異的力學性能,并且可以在2D3D模式之間無縫轉換。3D結構化Kiri-Kevlar的結構剛度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,身體的潛意識動作蜷曲或彎曲四肢),會迅速觸發Kiri-Kevlar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-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。 


1 摘要圖


  穿山甲是大自然創造高拉伸和抗沖擊結構的一個杰出例子身體覆蓋著重疊的鱗片,當受到威脅時,穿山甲會采取蜷曲的姿態。由于彎曲過程中外表面的拉伸應力,鱗片向外張開形如半開的松果。為了實現對于這種結構的仿生設計,采用激光雕刻工藝PET薄膜上蝕刻線條。這種方法在實際應用中是通用且可定制化的。隨后,采用熱壓工藝Kevlarc-SSGPET復合,在熱壓過程中,c-SSGVMQ中的分子鏈發生交聯并硫化生成c-SSE當受到外部沖擊,個體的潛意識反應促使人體迅速彎曲手臂,采取防御姿態以抵抗沖擊Kiri-Kevlar的結構可以隨著手臂的運動而變形,從而瞬時提升抗沖擊性。Kiri-Kevlar還可以各種變形模式下輸出信號,為智能傳感、人機交互等相關功能的發展提供了基礎 


2 Kiri-Kevlar制備工藝與結構變形示意圖


  對于拉伸過程中Kiri-Kevlar的結構演化規律進行了系統的研究,并相應構建了不同結構特征的有限元模型。與實驗中一致,在結構單元的特征區域錨定特征點以跟蹤變形與實驗中相同的結構參數,有限元模擬結果呈現出與實驗一致的結構演化過程,并可以表征實驗難以定量化測量的結構變形值。變形的初始剛度與負泊松比可以通過結構參數進行寬范圍調整。將有限元特征點軌跡與實驗跟蹤的軌跡進行對比,兩者吻合較好。此外,Kiri-Kevlar在高應變下的旋轉角度也可以通過解析模型預測 


軸向載荷下Kiri-Kevlar的結構演化研究


  當Kiri-Kevlar受到沖擊時,其主要承受高應變率的面外壓縮載荷。結構剛度與高應變率下剪切變硬效應協同作用增強Kiri-Kevlar抗沖擊性能。Kiri-Kevlar的變形程度取決于預應變的大小較高的應變將導致更大程度的拉脹。另外,結構轉角越大,支撐反力在水平方向的分量越小,可以提供更有效的支撐。結構度越高的Kiri-Kevlar也展現出更高的結構剛度。結構化Kiri-Kevlar復合材料同樣也表現出顯著的剪切變硬效應。此外,Kiri-Kevlar所具有的柔韌性使其可以很好地被裝配在非線性平面,具有良好的適應性。 


4 Kiri-Kevlar在壓縮加載下的力學行為


  為研究三維結構化Kiri-Kevlar在沖擊加載過程中的原位力耗散能力,搭建了預應變耦合的沖擊實驗平臺。通過定制夾具施加預應變來構建穩定的結構化Kiri-Kevlar帶有加速度傳感器的錘頭垂直釋放,Kiri-Kevlar下方放置力傳感器,測量緩沖后的耗散后沖擊力。整個沖擊過程由安裝在側面的高速攝像機記錄。c-SSE的剪切變硬效果和Kiri-Kevlar結構的剛度協同作用,起到了極好的沖擊力耗散的作用。在這項工作中,結構化Kiri-Kevlar具有最低的面密度,同時沖擊力耗散能力遠優于常用防護材料 


5 Kiri-Kevlar的動態力學響應研究


  探討了這種Kiri-Kevlar所具有的力-電耦合機制在可穿戴防護裝備發展中的潛力。在分壓電路中,數據采集系統可以靈敏地捕捉Kiri-Kevlar的電阻信號變化,然后將這些信號傳輸到LabVIEW程序中進行處理,從而實現人機交互舉例來說Kiri-Kevlar可以被佩戴在雙臂上,并基于人體不同的運動模態來控制游戲角色使用者左手出拳會導致藍色角色出拳,右手出拳會導致紅色角色出拳。此外,基于穩定的力-電耦合性能,Kiri-Kevlar有望被集成到更復雜的可穿戴智能系統中,進一步開發下一代智能抗沖擊可穿戴柔性電子器件 


Kiri-Kevlar的力-電耦合研究與人機交互功能開發


  在本研究中,采用熱壓工藝開發了一種具有柔性Kirigami結構的復合材料Kiri-Kevlar)。Kiri-Kevlar具有卓越的力學性能同時可以2D3D結構狀態之間可逆切換。當人體面臨外部沖擊時,潛意識的反應會導致個體蜷縮起來。這種瞬時反應有效地觸發了Kiri-Kevlar的結構轉變。采用有限元法闡明了結構變形演化規律,并可以對于初始剛度和泊松比進行可編程設計。與穿山甲伸展鱗片類似的是,Kiri-Kevlar具有額外的結構剛度,為使用者提供了出色的沖擊防護。此外,作為一種可穿戴電子設備,Kiri-Kevlar在不同載荷條件下表現出靈敏的電響應特性。這種電信號可以被用于靈活控制電腦游戲,驗證了其在人機交互領域的潛在應用,在未來的智能防護設備發展中具有廣闊前景。


  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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