在智能可穿戴材料領(lǐng)域，以往對改變可穿戴材料力學(xué)性能的研究非常少，主要困難在于制造可穿戴材料的同時，還需要保證材料的力學(xué)性能可快速變化。智能紡織品能賦予纖維或者織物以電學(xué)、光學(xué)以及磁學(xué)等屬性，使其具有感知、驅(qū)動和信息處理之功能，廣泛應(yīng)用于能量收集、可穿戴計算、生物傳感、健康監(jiān)測等領(lǐng)域。

經(jīng)過設(shè)計構(gòu)成材料及其幾何形狀，可以實現(xiàn)所需的特性，如高抗沖擊性、熱調(diào)節(jié)或?qū)щ娦?。然而，傳統(tǒng)來看，絕大多數(shù)的智能紡織品僅僅關(guān)注于傳感和信息收集功能。機械性能可調(diào)的織物可以向人體提供機械反饋，并執(zhí)行諸如關(guān)節(jié)輔助、支撐和觸覺等功能，因此，具有更大市場前景和應(yīng)用推廣價值。

新加坡南洋理工大學(xué)王一凡教授和加州理工學(xué)院基亞拉·達(dá)拉約（Chiara Daraio）教授團隊開發(fā)了一種輕薄、安全、價格低的“鏈甲”智能織物，這是一種由排列成分層鏈甲三維顆粒組成的，具有可調(diào)彎曲模量的結(jié)構(gòu)化織物。這種材料是空心八體聯(lián)結(jié)，由 3D 打印而成，通過氣壓調(diào)節(jié)，可實現(xiàn) 0.1 秒內(nèi)柔軟和堅硬狀態(tài)的自由切換，從而為智能可穿戴材料提出了一種安全、轉(zhuǎn)變速率快、重量輕、價格低的可行方案。他們的研究成果近日發(fā)表在Nature上，題為《具有可調(diào)力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)化織物》（Structured fabrics with tunable mechanical properties）。

該項工作系統(tǒng)地探索了由幾何形狀精確控制的非凸互鎖粒子組成的結(jié)構(gòu)織物在干擾過渡過程中的力學(xué)特性。因為阻塞轉(zhuǎn)變是一種尺度不變的物理現(xiàn)象，所以由離散粒子組成的可重構(gòu)織物可以在不同的尺度實現(xiàn)。從原則上講，增材制造的最新進(jìn)展使織物厚度從微米到米的尺度變化成為可能，并且針對不同的應(yīng)用可以使用不同的本構(gòu)材料。通過整合不同的限制方法(例如，電或磁控制)，可以設(shè)想在織物的不同位置編程剛度，用于如觸覺界面和醫(yī)療刺激等應(yīng)用。

鏈甲形狀復(fù)雜，但當(dāng)在它們的邊界上施加壓力時，顆?；ユi，且鏈甲阻塞。在小外部壓力（約93千帕）下，這種片材變得比松弛狀態(tài)下堅硬25倍以上。這種抗彎強度的顯著增加是因為互鎖顆粒具有高抗拉強度，不像松散顆粒介質(zhì)。使用離散元模擬將鏈甲的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀特性聯(lián)系起來，并解釋實驗測量結(jié)果。

該研究的創(chuàng)新之處還在于將新穎的設(shè)計和前沿的 3D 打印技術(shù)結(jié)合起來。該材料用傳統(tǒng)的制造技術(shù)較難實現(xiàn)，如果沒有 3D 打印技術(shù)，這種拓?fù)浠ヂ?lián)的結(jié)構(gòu)較難制造。

相比傳統(tǒng)織物，該智能織物具有安全、轉(zhuǎn)變速率快、成本低的優(yōu)勢。首先，該材料的軟硬調(diào)節(jié)通過微型氣泵調(diào)節(jié)氣壓，對于人體的穿戴來說相對安全；軟硬狀態(tài)的轉(zhuǎn)變可在 0.1 秒內(nèi)實現(xiàn)。以護腕或護肘等小型智能織物為例，其制造成本大概是 100 美元，若日后批量生產(chǎn)預(yù)計成本可降低幾倍。

可軟可硬、大小皆可
這種智能材料可以取代傳統(tǒng)的機器人技術(shù)在某些場景的應(yīng)用。并且，它可實現(xiàn)的尺寸“大小皆可”，也就是說，只要3D打印機的精度足夠高，也可以把它做成很輕薄、很小的結(jié)構(gòu)。

以血管支架或者心臟支架手術(shù)為例，如果用這種可隨時變軟或變硬的材料，那么也許通過微創(chuàng)手術(shù)就能將這種很軟的支架結(jié)構(gòu)放進(jìn)人體，當(dāng)它達(dá)到某個固定的位置時，再通過調(diào)節(jié)讓它變硬。

此外，該材料可用于人的外皮膚做醫(yī)療支撐。目前，通常用打石膏的方式來固定手骨折或斷骨的患者的骨折部位。但石膏很硬，而且可能一兩個月不能拿下來，造成患者行動不便。

如果用這種新型材料，便隨時“可軟可硬”，當(dāng)骨折部位需要支撐時，用氣壓調(diào)節(jié)使它變硬；當(dāng)病人需要休息時，再把它變軟。此外，如果 3D 打印機或制造設(shè)備足夠大，這樣的結(jié)構(gòu)可在更大的尺度實現(xiàn)。

根據(jù)DeepTech的報道，研究團隊開發(fā)該材料的研發(fā)靈感來自于顆粒材料，這種軟材料在日常生活中很常見，比如沙子、大米、豆子等?？茖W(xué)原理則是從物理領(lǐng)域的“阻塞相變”啟發(fā)而來，用很多顆粒組成智能織物，然后通過外面施加壓強的方式達(dá)到這種材料軟硬狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。

顆粒狀顆?；?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)的聚集，在阻塞（jamming）過程中，其機械性能會發(fā)生變化。阻塞相變，不像普通材料中的那樣依賴于溫度變化，由顆粒物質(zhì)中的局部幾何約束來控制。阻塞轉(zhuǎn)變，使無序顆粒系統(tǒng)，可以在具有類流體塑性的變形，和具有類固體剛性的變形之間進(jìn)行可逆切換，并伴隨著堆積分?jǐn)?shù)的變化。阻塞已被用于制造具有自適應(yīng)機械特性的智能材料。

例如給沙子加水，然后從外面加上壓力，就可以把沙堆成較堅固的城堡，這其實就是從軟狀態(tài)到硬狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。再如，真空包裝的大米摸起來像很硬的磚塊，但只要把真空包裝袋打開，里面的顆粒便可以自由流動，這是從硬向軟狀態(tài)的改變。

該研究團隊通過在邊界施加可調(diào)壓力來觸發(fā)互鎖顆粒之間的堵塞。將兩層封裝在一個氣密的柔性封套中，由于兩層之間具有弱耦合，因此仍然可以很容易地彎曲。為了引發(fā)堵塞，研究人員接著施加了一個約束壓力（將空氣從封套中抽出來），導(dǎo)致在織物邊界處產(chǎn)生約束應(yīng)力。這增加了顆粒的總堆積分?jǐn)?shù)，引發(fā)了阻塞轉(zhuǎn)變，增加了彎曲模量，并將織物轉(zhuǎn)變?yōu)槌兄亟Y(jié)構(gòu)。

該織物具有很好的結(jié)構(gòu)重構(gòu)性，并可以塑造各種不同的形狀，例如平板和拱形，并且該結(jié)構(gòu)具有很好的機械剛度，能夠承受超過其30倍自重的負(fù)載。該織物還可以作為可調(diào)保護層，防止外力撞擊。

展望
王一凡教授也提出了他對于該材料產(chǎn)業(yè)化的想法。他認(rèn)為，小型的醫(yī)療支撐應(yīng)用大概在 5 年內(nèi)可以落地，而外骨骼系統(tǒng)或者大尺寸的建筑領(lǐng)域應(yīng)用則預(yù)計在5到10年內(nèi)。

而對于該技術(shù)的可提升空間，王一凡表示，他們在這項研究中用的是尼龍聚合物的一種高分子材料，如果想把這種智能織物的高度進(jìn)一步提升，需要用剛度更大的材料，比如金屬材料或碳纖維材料。這需要在 3D 打印金屬材料或更強度更大的材料方面進(jìn)行更深入的研究。

據(jù)介紹，目前該團隊已有初步的成果可用金屬打印。另一個比較大的提升空間在于，該團隊主要研究集中在材料和結(jié)構(gòu)上，但如果真正地應(yīng)用在可穿戴材料，如外骨骼系統(tǒng)，則需要研究整個機械系統(tǒng)。因此，王一凡團隊下一步需要研究如何將這種先進(jìn)的材料與其他的系統(tǒng)模塊相結(jié)合起來，如控制、感應(yīng)、驅(qū)動、能源等。