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材料和結(jié)構(gòu)的破壞與局部機(jī)制有內(nèi)在聯(lián)系，包括易延性金屬、脆性陶瓷、離散泡沫和空間桁架，通常會發(fā)生高度局部變形。剪切帶和表面裂紋的形成，以及壁和支柱的屈曲，可能會發(fā)生連鎖反應(yīng)，而系統(tǒng)的大部分并未承受臨界載荷。為了打破這種已建立的范式，來自美國加州大學(xué)爾灣分校和佐治亞理工學(xué)院的研究人員開發(fā)了使變形非局部化的3D打印張力超材料，可以使變形離位以防止失效。

研究人員通過張拉整體性（Tensegrity）設(shè)計原則，將孤立的剛性桿集成到柔性的繩索網(wǎng)格中形成一種非常輕便的自張緊桁架結(jié)構(gòu)。然后從950納米直徑的元件開始，使用先進(jìn)的直接激光寫入技術(shù)來生成尺寸在10~20微米的基本單元，制成由八個單元構(gòu)成的超級單體，這些單體可以組裝形成連續(xù)的結(jié)構(gòu)。

研究人員通過建模和實驗觀察到，這些構(gòu)造表現(xiàn)出了獨(dú)特的均勻變形行為，而沒有局部應(yīng)力過大或利用不足的現(xiàn)象。研究顯示，新型超材料的可變形性提高了25倍，能量吸收能力比最好的晶格排列提高了一個數(shù)量級。

張拉整體結(jié)構(gòu)已經(jīng)被研究了幾十年，尤其是在建筑設(shè)計領(lǐng)域，最近在許多生物系統(tǒng)中也發(fā)現(xiàn)了它們的存在。幾年前，佐治亞理工學(xué)院的Julian Rimoli才在理論上對適當(dāng)?shù)闹芷谛詮埩Ц襁M(jìn)行了概念化。正是通過該項目，該研究團(tuán)隊實現(xiàn)了對這些超材料的首次物理制造和性能演示。

這種基于微米級桁架和格柵的極輕便但具有很好強(qiáng)度和剛度的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以通過增材制造技術(shù)來制造，具有替代飛機(jī)、風(fēng)力渦輪機(jī)葉片和許多其他應(yīng)用中較重結(jié)構(gòu)的潛力。盡管這種材料具有許多理想的品質(zhì)，但它們也像任何承重結(jié)構(gòu)一樣，在過載的情況下仍然易于遭受災(zāi)難性破壞。

在納米結(jié)構(gòu)材料中，失效通常始于高度局部的變形。一個區(qū)域內(nèi)的剪切帶、表面裂縫以及壁和支柱的屈曲會引起連鎖反應(yīng)，從而導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)坍塌。研究人員解釋說，當(dāng)受壓構(gòu)件屈曲時，桁架格柵開始坍塌，因為受拉的桁架無法承受。通常，這些部件在公共節(jié)點處互連，這意味著一旦失效，損傷會迅速擴(kuò)散到整個結(jié)構(gòu)中。

相反，張拉整體結(jié)構(gòu)的壓縮構(gòu)件形成閉環(huán)，彼此隔離，僅通過拉伸構(gòu)件連接。因此，受壓構(gòu)件的不穩(wěn)定性只能通過拉伸載荷路徑傳播，如果不斷裂，則不會經(jīng)歷不穩(wěn)定性。向下壓拉張整體系統(tǒng)，整個結(jié)構(gòu)將均勻受壓，防止局部損壞，否則將導(dǎo)致災(zāi)難性的破壞。

張拉超材料顯示出前所未有的抗破壞性、極好能量吸收性、可變形性和強(qiáng)度，勝過了所有其他類型的最新輕型結(jié)構(gòu)。該團(tuán)隊的研究為高級工程系統(tǒng)的設(shè)計提供了重要的基礎(chǔ)，從可重復(fù)使用的沖擊防護(hù)系統(tǒng)到自適應(yīng)的承重結(jié)構(gòu)。