一种新型的 3D 打印扭曲超材料可以减轻冲击的影响，可能会在未来几年改善车辆的碰撞保护。来自苏格兰和意大利大学的研究人员是这种材料开发的幕后推手，这种材料具有独特的晶格形状，使其能够扭曲成自身，以有效抵御各种冲击类型和严重程度。
该团队的“自适应扭曲超材料”在发表在《先进材料》杂志上的一篇论文中进行了概述，对目前使用的冲击保护材料采取了不同的方法。与提供预定抗冲击能力的传统泡沫或褶皱区不同，该团队的材料以机械控制的方式对打击做出反应，从而改变其能量吸收。它们可以进行微调，以提供更坚固的抗重型碰撞能力，或提供更柔软的缓冲以减轻冲击。
这些材料由使用 3D 打印的钢材制成。该工艺使团队能够对材料的结构进行细粒度控制，使他们能够在整个材料中编织出一种复杂的、高度多孔的形状，称为陀螺晶格。当材料被外力压缩时，它会以开瓶器状的运动扭曲，吸收冲击能量。在实验室实验中，该团队测试了三种版本的材料，以评估它们对两种类型载荷的反应：快速冲击和较慢、稳步增加的应变。
当超材料受到限制，不会因冲击而扭曲时，它提供了最大的刚度并吸收了最多的能量——每克材料 15.36 焦耳的能量。当允许材料自由扭曲时，其刚度和能量吸收降低了约 10%。在材料的第三种配置中，它被迫过度扭曲，从而降低了 33% 的能量吸收。结果表明，该材料有可能提供一系列保护，从刚性屏蔽到更软的能量吸收。
该团队的真实世界测试得到了全面的理论和计算模型的支持，该模型可以准确预测不同应变速率下扭曲陀螺晶格的复杂行为。为了进行精确的数值实验对齐，通过整合打印晶格的显微 CT 重建来量化 3D 打印过程中引入的几何缺陷。
格拉斯哥大学詹姆斯瓦特工程学院的 Shanmugam Kumar 教授领导了这项研究。“当今大多数车辆使用的防护材料都是静态的，专为特定的冲击场景而设计，无法适应不同的条件，”他说。“这项研究引入了自适应扭曲超材料作为一类新的超材料，不需要任何复杂的电子或液压来适应。相反，它们可以通过机械控制旋转来简单地进行适应。当我们施加压缩时，陀螺晶格将其转化为扭曲，通过改变边界条件，我们可以调整能量吸收特性。这些材料可以根据冲击类型和严重程度进行调整和改变自身的特性，以减轻影响。
“我们相信，这种材料未来可以在汽车和航空航天安全领域得到应用，提供一种能够根据需要适应不同需求的新型材料。它还可以通过将撞击转化为旋转动能来支持新型能量收集形式的开发，“Shanmugam Kumar 教授说。
来自马尔凯理工大学、拉奎拉大学和意大利国家核物理研究所的研究人员为这项研究做出了贡献，并共同撰写了这篇论文。
