哈佛SEAS的研究人员提出了一种用于构建从一种形状和功能流向另一种形状和折射的超材料工具包。John A.保尔森工程和应用科学学院和哈佛Wyss威斯生物启发工程研究所的研究人员在哈佛大学通过多材料3D打印技术开发出可重构超材料的基础设计框架软件。超材料是一个几乎神奇的材料种类，可以做似乎不可能的事，但它们一次只能执行一个“奇迹”。超材料不同寻常的特性主要依赖于独特的机械结构，而这些特定的结构通常是通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可以突破某些表观自然规律的限制。

 

 

 

哈佛的研究人员尝试通过建立一个基础设计框架，从而实现几何形状和几个功能之间切换，他们的发现已经发表在自然杂志上。因为这个基础设计框架并不限制打印尺寸，可以从米级到纳米尺度的应用，从减震建筑材料升级到光子晶体的超材料结构。设计人员认为在可重构结构领域，设计空间是非常大的，所以面临的挑战是要想出聪明的策略来研究它，通过与设计师和数学家的合作，哈佛找到了一种方法来概括这些规则，并迅速产生了许多有趣的设计。

 

 

这个框架就像一个软件工具包，智能构建可重构的材料。基于计算模型，哈佛大学的研究人员能够量化材料弯曲的各种不同的方式，并计算这样的运动会如何影响像刚度这样的特性。他们现在可以使用他们的数字框架快速循环几百万种不同的图案，让电脑通过理想的属性设置给定一个恰当的设计。一旦一个给定的设计被选中，科学家们能够使用多材料3D打印机以及激光切割纸板、双面胶带等材料组合来创造超材料的原型。

 

 

 

“在可重构超材料方面，设计空间非常大，所以挑战在于想出最佳的策略来探索它，”John L.Leb自然科学SEAS副教授Katia Bertoldi说。“通过与设计师和数学家的合作，我们找到了一种方法推广这些规则，并快速生成许多有趣的设计。从简单的形状（例如挤出的立方体）开始，团队开发了计算机模型，允许他们创建和评估几乎一百万个设计，并选择具有所需功能的设计。使用这个工具包，哈佛团队能够创建具有复杂几何形状的可重构薄壁结构。这些设计也是与尺度无关的，意味着它们可以应用于米尺上的事物，例如变换太阳能电池板；到纳米尺度，如可重新配置的超材料。”

 

 

通过计算机模型，团队使用激光切割纸板、双面胶带和多材料3D打印机构建工作原型。结果是超材料可以沿着边缘折叠以改变3D模型形状，就像折纸一样。这个软件工具包为开发超材料能结构和航空航天工程师、材料科学家、物理学家、机械工程师、生物医学工程师、设计师和建筑师是有用的。

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