前沿 | 南京理工大学《Science Advances》:苍耳启发的三维自锁颗粒超材料问世
传统机械超材料多依赖完美有序结构，一旦制成便形态与性能固定，难以重复使用或自适应调节，且随机性通常被视为缺陷。受苍耳种子柔性倒钩自锁机制启发，本文提出一类新型三维自锁颗粒超材料：每个单元由刚性椭球体与多个超弹性钩子构成，仅靠钩子弹性啮合即可自锁成稳定结构，无需任何外部约束。该设计支持多轴加载，通过逐步脱钩、滑动-锁定转变、层穿透及空隙塌缩等机制，实现了高延展性、可编程力学响应与优异能量吸收，且钩子弹性变形使结构可重复拆解使用。这一概念融合了颗粒材料的离散可重构性与超材料的可设计性，为冲击防护、自适应吸声及模块化建筑等提供了新思路。一、解决的问题
二、提出的方法
仿生设计：受苍耳种子通过柔性倒钩被动互锁的机制启发，设计了一种新型三维自锁颗粒超材料。
颗粒单元结构：每个单元由一个中空的刚性树脂椭球体及其表面均匀分布的多个超弹性热塑性聚氨酯 (TPU) 柔性钩子组成。钩子可以弹性变形并相互锁定。
自下而上的组装：这些离散单元可以通过钩子的机械互锁，在没有外部约束的情况下，自组装成各种有序（如密实固体、金字塔形）或无序（随机堆积）的三维稳定结构。
三、实现的效果
优异的力学性能：
高延展性与韧性：在拉伸时，钩子会依次失效（“逐步脱钩”），使结构能够承受远大于传统材料的变形，并吸收更多能量。
可调的剪切行为：通过调整钩子的串联（增加延展性）与并联（增加强度）排列，可以编程结构的剪切响应，并实现从类流体状态到类固体状态的“滑动-锁定转变”。
高效的能量吸收：在压缩和冲击下，通过“层穿透”和“内部空隙塌缩”等机制耗散能量，其单位体积能量吸收优于有序结构，能量吸收效率约为 20%。
可重用性与耐久性：由于钩子发生弹性变形而非塑性破坏，单元在加载后能保持完好。随机堆积块体在经过 100 次压缩循环或 120 次重复冲击后，仍能保持稳定的机械性能和保护能力。
无需外部约束的稳定性：自锁结构即使在没有包装盒或包装破损的情况下，也能保持形状并提供保护，优于传统泡沫。
各向同性：随机堆积的块体由于大量颗粒的取向平均化，表现出宏观上的各向同性压缩行为。
四、创新点
首创无需外部约束的三维自锁颗粒超材料：区别于依赖边界压力的二维自锁材料或其他三维系统，首次实现了仅靠颗粒自身钩子互锁即可形成稳定三维结构。
结合颗粒材料与结构化超材料的优势：融合了颗粒材料的离散性、可重组性与结构化超材料的可设计性、可编程性。
发现并阐释了新颖的变形机制：首次系统揭示并验证了“逐步脱钩”、“滑动-锁定转变”、“层穿透”和“空隙挤压”等独特的能量耗散和变形机制。
实现了可重用、多轴承载的保护材料：在提供与泡沫相当甚至更优的冲击保护同时，解决了传统材料不可重用、在包装破损时失效的关键问题，并能承受多轴载荷。
提供了尺度不变的设计原理：该自锁原理具有尺度不变性，可应用于从微观到宏观不同尺度的结构设计，并可通过材料选择（如形状记忆合金）实现主动可编程功能（如热触发解锁）。
研究成果以题为：《3D self-locking granular metamaterials》发表于期刊《Science Advances》。单位为：南京理工大学、武汉科技大学，第一作者为：南京理工大学TongTong Liu.摘要：
机械超材料的独特性质源于其微观结构，但大多数设计在制造完成后便保持静态。在此，我们提出一种受苍耳种子启发、由带有柔性钩状附肢的刚性椭球颗粒组成的三维自锁颗粒超材料。钩子相互锁定，形成自约束结构，在拉伸作用下通过连续的逐步脱钩而失效，极大地增强了延展性。在剪切作用下，材料会经历一个从初始低阻力、类流体状态到钩子啮合后的刚性、类固体状态的转变，表现出滑动-锁定转变行为。在压缩和冲击作用下，能量通过层穿透和内部空隙的塌缩耗散，动能通过锁定的形成转化为热量，从而实现了优异的能量吸收。与泡沫不同，该结构无需外部包装即可保护脆弱的有效载荷。由于钩子发生弹性而非塑性变形，单元在加载后保持完整且可重复使用。这项工作展示了无需外部约束的三维自锁颗粒超材料，为实现自适应和可重复使用的保护材料开辟了道路。图1：三维自锁颗粒超材料的原型与设计
(A) 苍耳种子的自锁机制。(C) 单个自锁晶胞，由一个椭球体主体和均匀分布的钩状结构组成。(D-F) 晶胞的几何参数。对于椭球体，参数包括长轴 (L=29 mm)、短轴 (W=16 mm)、厚度 (t=4 mm)、通孔直径 (Φ₁=2 mm) 以及钩子插入孔的直径 (Φ₂=2.4 mm) 和深度 (l₁=2.7 mm)；对于钩子，参数包括直径 (Φ₃=1.7 mm)、末端伸出长度 (l₃=1.7 mm)、弯曲段的轴向半径 (r=1.7 mm)、主体长度 (l₂=8 mm) 以及根部直径 (Φ₄=2.2 mm)。(G) 由颗粒超材料组装而成的各种结构，如密实固体、金字塔和大象。(H 和 I) 包装泡沫与自锁颗粒材料的对比。传统泡沫在放入四面封闭的盒子中时可以保护易碎物品；但一旦移除一面侧壁，泡沫就会移位并失去保护能力。相比之下，自锁颗粒材料由于自锁颗粒的互锁作用，即使没有包装盒也能保持其原始形状。(A) 沿 x 和 y 方向排列的线状、平面和立体结构的拉伸试样。(B) 实验和模拟拉伸试样的应力-应变曲线。左插图为实验图像，右插图为模拟模型图像及尺寸标注。(C) 理论、实验和模拟钩子测试（使用超弹性实体单元、弹性实体单元和梁单元）的应力-应变曲线。插图中从左到右分别为实验模型、实体单元模拟模型和梁单元模拟模型。(D 和 E) 分别沿 x 和 y 方向的实验拉伸力-位移曲线。实线代表平均值，阴影区域表示多个实验组观察到的标准差。虚线代表模拟值。插图为实验装置。(F) 立体-y 结构的准静态拉伸变形过程，对应于 (E) 中标记的 I、II、III 位置。色标显示 von Mises 应力值。(G) (D) 和 (E) 中各种结构的拉伸能量吸收。插图为线状、平面和立体结构中每个互锁钩对对应的能量吸收。(H 和 I) 分别沿 x 和 y 方向的拉伸模拟力-位移曲线。(A) 沿 x 和 y 方向排列的线状、平面和立体结构的剪切试样。F_s 表示剪切力。(B-D) 各种结构的实验和模拟剪切力-位移曲线。蓝色、红色、绿色和橙色区域分别表示接触零层、一层、两层和三层钩子的情况。(E) 线状、平面和立体结构沿 x 和 y 方向的剪切刚度随层间数量的变化。每个数据点的上下界代表三种结构对应的数值。(F 和 H) 分别具有两层和三层层间的 y 方向样品的实验曲线（此处取平均曲线）。灰色部分代表结构的类流体特性。(G) 线-y 两层间结构在不同剪切位移下的实验和模拟结果。上方面板显示钩子之间的初始间隙（蓝色和绿色标记）。中间面板捕捉到所有钩子啮合的完全锁定状态。底部面板显示钩子完全分离后的断裂线状结构。色标显示 von Mises 应力值。(J) 线-y 两层间结构中零个、一个、三个和六个钩对对应的 von Mises 应力，分别对应位移为 25.7、26.1、29.3 和 32 mm。(A、C、E) 分别为密实固体、金字塔和 Random 125 结构的应力-应变曲线。黑色圆圈表示致密化应变的位置。实线和虚线分别代表实验和模拟结果。插图示出了加载条件。F_N 和 F_{x,y,z} 分别表示单轴和多轴加载下的压缩力。(B、D、F) 密实固体、金字塔和 Random 125 结构在不同应变下的实验（上方面板）和模拟（下方面板）变形图。(G) 五种结构在压缩过程中的实测 EAU（单位体积能量吸收）和能量吸收效率。(H) Random 125 结构在不同压缩应变下的循环加载应力-应变曲线。箭头表示加载次数。黑色方块表示每次循环的残余应变。插图示出了初始和压缩后的结构。(I) Random 125 结构的可重用性。蓝色线表示第 100 次压缩。橙色曲线显示了 100 次压缩循环的平均性能。(A) 冲击实验示意图。红色标记表示两个加速度传感器。平台边长为 a = 0.5 m，钢球下落高度为 h = 0.5 m。(B) Random 125 和传统泡沫在两种约束条件下的示意图。上方：Random 125 自锁颗粒。下方：泡沫材料。左列：材料限制在四面容器中。右列：材料放置在三面容器中。(C) 在质量为 0.4 kg 的钢球冲击下，各种结构测得的平台加速度。160 ms 和 400 ms 时刻的快照由高速摄像机捕捉。(E 和 F) 钢球加速度和平台动能随冲击次数的变化。(G) 分别经过 80 次和 120 次冲击后，受损和未受损的泡沫及颗粒超材料。左侧放大图显示了红色虚线圆圈标记的典型破损单元。(H) Random 125 结构有效保护易碎鸡蛋免受冲击而不受损的快照。(I) 自锁超材料在不同尺度下的潜在应用，从防弹衣到堤坝防护，从有序到随机结构。这些超材料可以通过使用不同的材料和尺寸进行定制，以实现特定的性能目标。DOI：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aec8845
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