在荷蘭，有一群科學家正在忙著設計格子狀的3D打印結構以用其測試一種獨特的全新機械材料。這種材料能夠在一些關鍵點上被操縱，有可能被用做框架的絕緣體。在一篇剛剛發(fā)表在《Proceedings of the National Academy of Sciences》的論文中，研究人員們描述了他們?nèi)绾问褂靡恍┨囟ǖ狞c來“塑造”各種區(qū)域，這種結構是能夠屈曲的，它們能夠基于溫度、壓力或者由于一個系統(tǒng)出現(xiàn)的偏差的因素變形為另外的形狀。這里所謂的系統(tǒng)，可以被認為是某些基礎設施，或者像橋梁、大廈的施工區(qū)域。

這篇論文的題目是《拓撲超材料通過自應力的選擇性屈曲（Selective Buckling via States of Self-stress in Topological metamaterials）》。這種超材料的結構也是3D打印的，它展示了3D打印如何能夠促進自我可持續(xù)性，在本文的這種情況下，這種結構能夠變換拉力和壓力來緩和應力或完全避免故障。通過研究人員的新型3D打印材料并根據(jù)其后續(xù)的設想，該結構將擁有內(nèi)置的靈活性，可在外來因素的影響下最終保持強度和完整性，但是您光看是看不出來的。

“這些局部壓曲區(qū)域的顯著特征是，它們與周圍的結構是混為一體無法區(qū)分的，甚至包括作為建筑要素的材料參數(shù)或者連接性而言。”研究人員Jayson Paulose、Anne S. Meeussen和Vincenzo Vitelli在他們的論文中稱，“此外，它們對大范圍的結構擾動具有很強的抗性。”也就是說，平時看不出來，當受到壓力或其他因素影響的時候，這些結構區(qū)域就會表現(xiàn)出與眾不同的性質，起到“隱形梁”或者其他功能的作用，如下圖。

 

該項目是在萊頓大學（Leiden University）的拓撲力學實驗室完成的，研究負責人為Vincenzo Vitelli。

“這個設計一開始基于一個總體的概念，你可以把它比喻成實體的“預感”。”合作者Paulose解釋說，“將這些拓撲思想用在這些超材料設計上的主要優(yōu)勢在于拓撲材料肯定會在這些邊界出現(xiàn)有趣的行為。”

科學家們此項研究的基礎，是一種被稱為“拓撲絕緣體”的新的物質狀態(tài)，這種物質具有獨特的屬性，可以被用在機械工程和其他部門——比如醫(yī)藥。這也導致了科學家們要對根據(jù)這一理念3D打印的材料結構進行測試，看看機械載荷會受到什么樣的影響.。

“我們原本預期在這個設計可以發(fā)揮作用之前會有一些反復的試錯。但是，我們從3D打印公司拿回來的第一批實驗樣品一拿出來就表現(xiàn)的非常好。”Paulose說。

研究人員主要的關注點是機械載荷以及這些3D打印的超材料——其具有可獲得的屈曲性能——可以如何用在傳統(tǒng)和現(xiàn)有的結構和設備的改進上。

 

在使用“自應力的魯棒狀態(tài)（robust states）”來設計拓撲超材料中的屈曲區(qū)域中，研究人員使用了3D打印來驗證他們的觀點，并將其作為研究證據(jù)。他們使用一個3D打印的超材料結構非常簡單和清楚地展示壓縮如何會引起這些由特殊拓撲結構構成的“隱形梁”產(chǎn)生有利的屈曲，并再次用他們的3D模型指出了這些屈曲區(qū)域是無法用肉眼區(qū)分的，而且也不會顛覆一個結構的構建。