具有异常膨胀行为和可调应力-应变曲线的软机械超材料

响应环境条件变化而改变形状、体积和特性的软适应性材料在组织工程、软机器人、生物传感和柔性显示等领域具有重要应用。在水分吸收时，大多数现有的软材料，如水凝胶，表现出正体积变化，对应于正膨胀。相比之下，负膨胀代表了一种相对不寻常的现象，在大多数自然材料中并不存在。开发能够实现大幅或各向异性负膨胀的材料系统仍然是一个挑战。我们结合分析建模、有限元分析和实验，设计了一种软机械超材料，能够实现大有效负膨胀比和可调应力-应变曲线，具备所需的各向同性/各向异性特征。该材料系统利用水凝胶和被动材料的马蹄形复合微结构作为构建块，延伸成一个周期性网络，遵循晶格构造。构建块结构利用夹层配置将水凝胶的水压膨胀变形转化为弯曲变形，从而导致整个网络的有效收缩（线性应变可达约-47%）。通过引入空间异质设计，我们展示了一系列不寻常的各向异性膨胀响应，包括在一个方向上的扩张，以及在垂直方向上的收缩。经实验验证，该设计方法允许确定定制的微结构几何形状以实现所需的长度/面积变化。这些设计概念扩展了现有软材料的能力，并在多种领域的应用中展现出良好的潜力。