【研究聚焦】南京大学陈延峰/卢明辉/南京理工大学李鑫:基于转动的卡扣力学超构材料

图1 卡扣单元设计及力学特性。（A）平动卡扣结构：悬臂直梁卡扣和卡槽。（B）平动卡扣装配时的力学响应。（C）转动卡扣结构：弧形悬臂梁卡扣和环形卡槽。（D）转动卡扣转动时的力学响应。（E）转动卡扣的尺寸设计，包括卡扣和卡槽的设计参数。（F）转动卡扣转动时的角度-能量关系。

图2 转动卡扣结构的参数分析。（A）单个转动卡扣结构及其力学响应特性（有限元仿真和理论分析）。（B）对称设计的转动卡扣结构及其力学响应特性。（C）转动卡扣数量变化对整体力学性能的具体影响。D）悬臂梁长度对转动卡扣力学性能的影响。（E）转动卡扣的有限元仿真应力分布云图与实际扭转试验的对照图片。（F）有限元仿真、理论分析与实验中转动卡扣力学特性对比分析。

图3 扭转多稳态力学超材料的设计与力学响应。（A）展示了1D转动卡扣超材料的设计方案，具体包含了4×1、4×2、4×3、4×4以及1×4等多种构型配置。（B）1D转动卡扣超材料在不同构型下的力学响应特性。（C）2D转动卡扣超材料的设计原理：集成齿轮结构并利用传送带与特制的带卡槽框架，成功将转动多稳态力学超材料构造成2D阵列结构。（D）2D转动卡扣超材料在图形变换领域的应用潜力。

图4 多稳态超构线和多稳态形状变形。（A）由转动卡扣结构与对应卡槽结构构成的单元单胞构型。（B）超构线的设计理念，并展示了其引发的形状变化机制。（C）多稳态四边形稳态转换时的力学响应。（D）展通过组合多个单元单胞，能够构造出多样化的形状，包括但不限于字母、数字及汉字图案。

图5 转动多稳态卡扣结构的应用。（A）通过精密设计的齿轮机构，实现了转动多稳态与平动多稳态之间的有效转换机制。（B）转动多稳态向平动多稳态转换过程中的力学响应特性。（C-D）机构平移与转动的转换：（C）机构以平移为输入，转动为输出。（D）机构以转动为输入，平移为输出。（E）基于扭转多稳态原理构建的两指抓手，及其抓取操作的演示实例（橡皮擦和胶带）。（F）基于扭转多稳态的四指抓手设计，及其在实际抓取任务中的应用演示（足球和篮球）。

4、结论：

本研究设计并制备了一种基于转动驱动的卡扣式力学超构材料，突破了传统平动驱动机制的制约，建立了多稳态超构材料设计的新范式。通过系统分析转动卡扣结构的力学特性及其关键影响因素，为该类超构材料的实际应用奠定了理论基础。研究提出的一维及二维扭转多稳态力学超构材料及其超构线（Meta-lines）设计概念，有效拓展了该类材料的应用维度，使其在能量吸收、机器人技术、精密机械设计、自动化控制及安全防护等领域展现出广阔的应用前景。展望未来，转动卡扣力学超构材料有望催生更多创新应用场景。在机器人技术领域，优化后的转动卡扣力学超构材料体系有望推动机器人抓取机构的智能化升级，以适应复杂工况环境；其独特的跨维度变形特性为软体机器人、智能显示器件等领域带来新的发展契机。本研究提出的力学超构材料设计理论与技术体系，将为超构材料领域的前沿探索提供新的研究路径，助力该领域的可持续发展与智能化转型，期待未来涌现更多突破性应用成果。

该项目研究得到了国家自然科学基金（12422215、12172164、52250363）和国家重点研发计划（2023YFA1406904）的资助与支持，谨此感谢。