【从太极图中获取内部结构设计灵感,超“听话”的超材料诞生了!】记者9月12日从国防科技大学获悉,该校的研究者们提出一种原创性的智能超材料设计方法,实现了金属基材料刚度和形状的大范围、连续、快速调节,具有重要的科学意义和工程应用价值。

相关研究作为8月封面文章https://t.cn/A6SEOJHF近日发表于《自然—材料》,并被《自然》评为今年6月全球重要科技进展(全球共4项)。

齿轮簇实现机械性能调节

近年来,智能材料广受关注,它是智能装备与结构设计的基础。材料弹性的调节对于智能机器、机器人、飞机和其他系统非常必要。然而,常规材料一旦制备,特性就几乎不能改变,部分材料在高温相变时才能呈现一定的调节性,但不具备工程实际可操作性。

“机械/力学超材料是具有超出常规材料力学性能的结构功能材料,为高性能装备设计提供了前沿技术支撑,但传统超材料设计方法依然无法实现稳定连续的参数控制,需要颠覆性设计思维才能突破该瓶颈。”该校智能科学学院振动与噪声控制研究团队带头人、论文共同通讯作者温激鸿表示。

“限制力学超材料实现智能化调节的根本原因在于传统超材料的设计都遵循同一种模式,即将梁、杆、板等单功能的承载基元用固定或屈曲结点连接构成确定性拓扑结构,这种模式下,当受到应力、热或电磁场的刺激时,超材料会因为屈曲或旋转铰链而发生重构,从而改变刚度,同时会造成塑性变形且变化不连续,调节过程十分困难。”论文第一作者兼共同通讯作者、研究团队副研究员方鑫说。

为解决这个难题,研究团队提出了基于多功能动态基元和易变—牢固耦合模式的智能可编程机械/力学超材料设计范式,设计了系列基于齿轮的智能超材料,突破了宏观与微观、金属基和复合材料基超材料的集成一体化制造和集成驱动技术,实现了金属基材料的大范围、连续、快速调节。

通俗地说,该团队设计了一个由齿轮制成的智能材料,它可以根据不同的“命令”,在齿轮旋转时,使坚固的材料变得更坚硬/更柔软或变形。

“这是一种前所未有的设计方法。”方鑫表示,可调性能够通过组装具有内置刚度梯度的元件实现。要实现机械性能可调但坚固的固体,需要确保在大作用力下的可调性和强耦合(可靠连接),同时避免在调整时发生塑性变形。“我们发现,这种可变而又强的耦合可以通过齿轮簇实现。”

方鑫透露,除了尝试以齿轮作为基元外,团队还尝试过很多其他构型,比如广泛关注的折纸构型、各类弹性屈曲构型、双稳态/多稳态构型,但都无法实现他们想要的这种调控特性。

为什么是齿轮簇?“可靠的齿轮啮合可以平稳地传递旋转和沉重的压缩载荷。”方鑫说,刚度梯度可以内置到单独的齿轮体中,也可以通过分层齿轮组件实现。齿轮组可以组装成单元组,而单元做恰当排列就可形成超材料。

从太极图中获取内部结构设计灵感

既然齿轮是可被利用的元件,那它的内部结构该如何设计?

超材料的可调性取决于其内置中空部分的形状。“想要实现可调但坚固的材料,需要确保在大作用力下的可调性和鲁棒可控性,同时避免调谐中塑性变形。”方鑫表示,在众多设计方案中,团队从太极图中获取灵感,最终设计了形似太极图的齿轮,其形状以螺旋方向为特征,可以提供平滑的变化和极性。

“太极图的灵感是从中国传统文化中获得的。当时我在用笔构思各种简单大气又有用的形状,脑子里突然闪现《易经》中‘两仪生四象,四象生八卦’这句话,随之就想起了太极图。因为太极的核心思想就是‘变化’,而我们想要的材料特性也是‘变’。”方鑫说,“引入太极理念后,我们设计的构型具有正极性和负极性,提供了一个很好的设计维度。”

在此基础上,该团队使用紧密耦合的周期齿轮和两个格子框架(前和后)将齿轮排列成简单的图案,外部形成两个弹性臂,其径向厚度随旋转角度θ平滑变化。在压缩载荷作用下,臂部的变形以弯曲为主。

“任何两个啮合齿轮的自转方向都是相反的。正面和背面太极图案的螺旋方向是相反的。因此,一对齿轮的啮合模式有两极。当图案的螺旋方向相反时,极性为正,反之则具有负极性。”方鑫说。

为了验证这一构想,团队采用投影显微立体光刻3D打印技术制作了5行6列的太极齿轮组成的集成微型超材料。太极齿轮的直径和齿厚分别为3.6毫米和235微米,最粗的臂为75微米。样品由杨氏模量为3.5GPa的光敏树脂制成。

“这种微型试件的等效模量Ey(θ)可以平滑地调整35倍(从8.3MPa到295MPa)。用金属材料制备的样品调节范围则可达到75倍。”方鑫说,这意味着即使是在微尺度上,基于齿轮的集成超材料也可以通过三维打印直接制造。这种集成制造的主要挑战是确保啮合齿不会融合在一起,但仍能有效地参与啮合。

旋转变速器行星齿轮即可“变身”

该团队设计的第一种超材料仅在压缩载荷下可调。“我们期望找到一种设计方法,使其压缩模量和拉伸模量均可调,同时保持结构完整性。”方鑫介绍,团队探索发现,这可以通过将行星齿轮系统组织为元胞来实现。团队使用行星齿轮簇创建了一个层次分明的超材料,其可调性来自元胞内齿轮的相对旋转。

“我们设计的行星齿轮超材料的变刚度来自每个行星齿轮内部。齿轮环产生弹性弯曲变形,其内部的行星齿轮是齿环变形的支点,通过旋转行星齿轮改变齿轮环的位置就可以改变它的变形刚度,从而对超材料参数进行调节。”方鑫说,对于组装的超材料,所有的太阳齿轮通过轴连接到传递转动的齿轮上,这些传动齿轮紧凑地耦合在一起。因此,只需要旋转其中的几个传动齿轮就可以实现对所有元素的重新配置和调节。

“有趣的是,我们设计的超材料可在很大的压缩力下保持稳定,并在剪切时显示出较大的刚度。支撑稳定性的因素之一是一种齿轮组的自锁机制,另一因素则是轮齿的咬合力。”方鑫表示。

该团队提出了几个可展示齿轮基超材料广泛应用潜力的场景。“对于机器人,可调刚度腿/执行器能够提供高刚度以在行走时稳定支撑重物,低刚度则在跳跃或跑步时提供减震保护。航空发动机挂架系统中需要类似的可调刚度隔离器,以在不同飞行阶段保持最佳性能和效率。”温激鸿表示。

“人们还可以通过使用锥齿轮、将平面齿轮组装成分层结构或合成不同类型的齿轮来设想3D超材料,利用集成制造将这些可调特性连接起来,以生产坚固的多用途设备。以微型超材料为例,高分辨率和大规模的3D打印,使基于齿轮的超材料进一步小型化和延伸成为可能。” 方鑫说。

《自然》审稿编辑认为,这种基于齿轮的力学超材料是使机器部件实现刚度可调的同时保持结构强稳定的可行途径,比如通过使机器人的结构变软或变硬来更好地适应跳跃和抓取物品等动作。https://t.cn/A6SEOJHs

作为芒果的新晋王牌综艺,《披哥2》既承载着万千期待,也背负着可想而知的压力,毕竟创造续集神话本就不容易。

对于很多观众来说,初舞台虽然凭借情怀暴击成功出圈了,但也仅仅是隔靴搔痒,毕竟选曲、编曲、舞美、服装等要素都没完全展示,看得不过瘾。

但好在,《披哥2》的一公并没有让观众失望,尤其是被广为讨论的舞美,不得不说芒果团队的审美真的好,有着国内很多团队想都想不到的创意。

《新地球》的海滩、《红云袍》的民国茶馆、《霍元甲》的错层喷火舞台、《风的季节》的香港街头场景,都给观众留下了深刻印象。

除了舞美之外,一公的赛制也可圈可点,部落追击战是前两季《浪姐》和上一季《披哥2》都没玩过的东西,8个舞台的最终排名也算合理。

有了第一季的经验,《披哥2》的一公明显进入状态很快,哥哥们和节目组都是这样,就连淘汰都来得更快,温兆伦和方逸伦憾别舞台。

尽管《披哥2》刚播完一公,但对于节目的老粉来说,已经可以开始讨论成团趋势了,而一公过后,C位有了悬念,初代哥哥走向成迷,黑马更加明显。

任贤齐苏有朋都有机会登顶,C位有了悬念

《披哥2》官宣阵容后,其实本季C位的范围就很小了,无非是任贤齐和苏有朋二选一,二人都兼具资历、国民度、人气和代表作。

初舞台播出后,任贤齐拿到了个人喜爱度排名第一位,且从首期节目的剪辑来看,任贤齐有着很足的“大哥范儿”。

但是一公之后,苏有朋反超任贤齐拿到了喜爱度排名第一,而且他带队的舞台《霍元甲》的排名,也在任贤齐部落的《世界第一等》之上,C位有了悬念。

值得一提的是,任贤齐和苏有朋在《披哥2》中的态度完全不同,苏有朋的“卷王”名号名副其实,而任贤齐相对来说更佛系。

备战舞台《霍元甲》时,苏有朋希望能做出其他综艺没做过的东西,甚至带队加练到了凌晨四点,把多位哥哥惊出了表情包,但好在付出有了回报,舞台成绩高居第三。

反观任贤齐,他和苏有朋完全不同,组队时毫不犹豫地答应了张峻宁的“入团申请”,抢歌时也多次让出心仪选曲,如果不是有任贤齐坐镇,《世界第一等》拿不到第四名的好成绩。

尽管任贤齐希望大家都能享受舞台的初衷没错,但他还是应该适当剧情卷起来,如果总是选不到好队友和好歌曲,势必会影响他的舞台和个人喜爱度排名。

当然了,综合资历和影视歌成绩的话,任贤齐拿到C位的概率依然更大,而内卷王苏有朋大概率会是本季的X-Learder,陈小春的希望可能要落空。

初代哥哥走向成迷,可能不会坚持到成团夜

早在《披哥2》被曝光大量路透时,网友们就讨论过陈小春、张智霖、李承铉和张云龙四人,会以什么样的方式加盟,参赛?带队?还是助攻?

初舞台后答案揭晓,四位初代哥哥将归零出发重新参赛,而且参与了初舞台和一公的个人喜爱度排名。

其实,《披哥1》收官后,节目组就曾宣布滚烫家族世代保留,哥哥们也和节目组签订了合约,所以陈小春等四人的回归没必要被喷。

但如果陈小春等四人果真要从一公参与到成团夜的话,其实对第二季的哥哥们是不公平的,因为他们在观众喜爱度方面更有优势,观众对他们有好感滤镜。

初舞台时,陈小春、张智霖、李承铉和张云龙是分散表演的,所以除了李承铉的喜爱度排名正常之外,张智霖、陈小春和张云龙的排名都略低,分别是第7、第8和第21。

但是他们四人一公合体之后,李承铉仅仅下跌了两名,而张智霖上升到了第2,陈小春上升到了第5,张云龙也上升到了第19。

此外,即便二公再次重新组队了,但是陈小春、李承铉、张智霖和张云龙还是两两抱团了,且他们二公和三公的成绩都很好。

如果这样下去,除非节目组干预,否则初代哥哥一定是两大冠军候选阵营之一,一公就开始的壮大计划有望成真,他们至少会占掉三个成团名额,这应该是很多观众不希望看到的局面。

值得一提的是,在首期节目中,陈小春曾对李承铉说至少坚持到三公,不知道当时是谦虚的说法,还是节目组确实有这个安排,毕竟已经成团过的他们,如果二次成团的话并不公平。

所以,笔者猜陈小春、张智霖、李承铉和张云龙可能不会坚持到成团夜,或者不会参与成团夜的喜爱度排名,节目组应该还是能看清其中利弊的。

黑马更加明显,仁科成了团宠

对于观众来说,成名艺人团选综艺中的热门选手固然更有看点,但黑马选手同样看点十足。

前两季《浪姐》和《披哥》中,李斯丹妮、孟佳、王霏霏、蒋璐霞、吕一、高瀚宇、布瑞吉等成为了黑马,而《披哥2》中的黑马很明显是仁科。

首期节目中,仁科就展现了黑马之姿,不仅手捧摄像机的出场方式特别,而且综艺感非常强,自称“小王子”的他已经成为了哥哥们的团宠。

值得一提的是,在一公舞台《世界第一等》中,观战间的哥哥们有过两次欢呼,第一次任贤齐吹口琴,第二次是仁科拿起工地安全帽,励志中透露着一丝搞笑。

除了镜头够多之外,仁科在初舞台和一公后的喜爱度排名也很理想,第一次是第9,第二次是第11,二公三公和陈小春李承铉组队后,镜头和人气排名应该会更高。

《披哥2》官宣嘉宾后,内地哥哥的阵容曾被质疑不够深,因为除了郑钧和金瀚之外,很多网友都需要靠查资料去了解其他哥哥,包括仁科在内。

但是如今,仁科已经凭借有趣的灵魂成功突围,不仅成为了本季哥哥们的团宠,而且也得到了广大观众的认可,是名副其实的有效参赛。

谁能拒绝细心温柔且浪漫有趣的老许呢[心]
会在产房外贴心地帮我把汤降了温才送进去[心]
大半夜外卖停了为了我心心念念的咖喱饭和炸鸡冒着大雨去店里取[心]
会很浪漫地在出产房的一瞬间送我花,给一个亲亲说辛苦了老婆[心]
会在我已经忘记节日的时候一大早给我惊喜[心]
会每天都告诉我除了照顾好自己的身体,保持心情愉悦,剩下的不要操心,都交给他来做[心]
会注意到我注意不到的细节,会告诉阿姨给我做什么菜,要怎么照顾我[心]
感恩老许[心]
用昨天新学到的词来说,我就是老公宝女[挤眼]


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