近日，来自苏格兰和意大利大学的研究人员研发了一种新型的3D打印扭转超材料，能够减轻撞击的影响，有望在未来几年提升车辆的碰撞防护性能。这种材料具有独特的晶格形状，能够实现自我扭转，有效抵御各种类型和强度的撞击。
相关研究以题为“Adaptive Twisting Metamaterials”的论文发表在《先进材料》杂志上。
“自适应扭转超材料”采用了一种不同于目前使用的抗冲击材料的方法。与传统的泡沫或溃缩区（它们提供预定的抗冲击力）不同，研究团队的材料以机械控制的方式响应冲击，从而改变能量吸收。它们可以进行微调，以提供更强的抗冲击力，或提供更软的缓冲力，以应对较轻的冲击。
这些材料采用3D打印钢材料制成，能够对材料的结构进行精细控制，从而编织出一种复杂且高度多孔的形状，即所谓的螺旋状晶格。当材料受到外力压缩时，它会以螺旋状运动扭曲，吸收冲击能量。在实验室实验中，团队测试了三种版本的材料，以评估它们对两种负载的响应：快速冲击和较慢但稳步增加的应变。
当超材料在受到冲击时完全无法扭转时，它能提供最大的刚度并吸收最多的能量——每克材料吸收15.36焦耳的能量。当材料被允许自由扭转时，刚度和能量吸收率下降了约10%。在第三种配置下，材料被迫过度扭转，导致能量吸收率降低了33%。结果表明，该材料具有提供一系列防护的潜力，从刚性屏蔽到更柔和的能量吸收。
△扭矩比的影响（M) 对 CCW 扭转超材料（右手微极超材料）的扭矩方向、旋转和扭转载荷配置的影响。
研究团队的实际测试得到了一个全面的理论和计算模型的支持，模型能够准确预测不同应变率下扭转螺旋晶格的复杂行为。为了实现精确的数值-实验校准，团队通过整合打印晶格的微型CT重建数据，量化了3D打印过程中引入的几何缺陷。
△螺旋结构的准静态和动态压缩行为
格拉斯哥大学詹姆斯·瓦特工程学院的尚穆甘·库马尔教授领导了这项研究。他表示：“目前大多数车辆使用的防护材料都是静态的，专为特定的撞击场景而设计，无法适应不断变化的条件。这项研究引入了自适应扭转超材料，这是一种新型超材料，无需任何复杂的电子或液压系统即可实现自适应。相反，它们只需通过机械旋转控制即可实现自适应。当我们施加压缩力时，螺旋晶格会将其转化为扭转力，通过改变边界条件，我们可以调整能量吸收特性。这些材料可以根据撞击类型和严重程度进行调整和改变自身特性，以减轻撞击的影响。”
Shanmugam Kumar 教授表示：“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。它还可以通过将冲击能转化为旋转动能，支持新型能量收集方式的开发。”
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参与了这项研究并共同撰写了该论文。
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