蓋世汽車訊 據外媒報導，卡爾斯魯厄理工學院（Karlsruhe Institute of Technology，KIT）組織的國際研究團隊開發處具有高彈性能量密度的機械超材料。高度扭曲的螺旋形桿為這些超材料提供了高剛度，使它們能夠吸收和釋放大量的彈性能量。研究人員進行了簡單的壓縮實驗，以證實初步的理論結果。相關研究結果發表在期刊《Nature》。

圖片來源：期刊《Nature》

許多技術都需要儲存機械能，包括用於吸收能量的彈簧、用於儲存機械能的緩衝器，或機器人或節能機器中的柔性結構。動能，即運動能或相應的機械功，被轉換成彈性能，以便在需要時可以再次完全釋放。

這裡的關鍵特性是焓（enthalpy）——材料元素中可以存儲和恢復的能量密度。卡爾斯魯厄理工學院應用材料研究所（IAM）材料力學教授Peter Gumbsch解釋說，實現盡可能高的焓是一項挑戰：“困難在於將相互衝突的特性結合起來：高剛度、高強度和大可恢復應變。”

超材料中螺旋變形棒的巧妙排列

超材料是自然界中不存在的人工設計材料。它們由單獨定義的單元組裝而成，因此可以增強其有效材料性能。Gumbsch還是弗勞恩霍夫材料力學研究所（IWM）的負責人，他與來自中國和美國的國際研究團隊現已成功開發出具有高可恢復彈性能量密度的機械超材料。

“首先，我們發現了一種機制，可以在簡單的圓棒中儲存大量能量，而不會使其斷裂或永久變形，”Gumbsch表示。“通過定義棒的巧妙排列，我們將這種機制集成到超材料中。”

科學家將這種機制與經典的彎曲彈簧進行了比較，其最大變形受到頂部和底部表面的高拉伸和壓縮應力的限制，並導致斷裂或永久塑性變形。在這種彎曲彈簧中，整個內部體積上的應力非常低。

然而，如果一根桿被扭曲，它的整個表面也會受到高應力，但在低應力下的內部體積要小得多。為了利用這種機制，扭轉必須非常高，以導致複雜的螺旋屈曲變形。

焓比其他超材料高2至160倍

研究人員成功將這種扭轉負載和螺旋變形的棒集成到一種可在單軸負載下巨集觀使用的超材料中。通過模擬，研究人員預測該超材料將具有高剛度，因此可以吸收很大的力。此外，它的焓比其他超材料高2至160倍。為了證實這一點，該團隊對具有鏡像手性結構的各種超材料進行了簡單的壓縮實驗。

“我們的新型超材料具有高彈性儲能能力，未來有可能用於需要高效儲能和出色機械性能的各個領域，”Gumbsch表示。

除了基於彈簧的能量存儲之外，可以想到的應用還包括減震或阻尼以及機器人或節能機器中的柔性結構。或者，超材料內部發生的扭曲可用於純彈性關節。