上海交大密西根学院教师Jaehyung Ju课题组提出磁-热力可重新编程机械超材料设计

时间:2023年1月13日
来源:上海交大 新闻学术网

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近日,上海交通大学密西根学院教师Jaehyung Ju团队在材料工程领域顶级期刊《Advanced Materials》(影响因子 32.086)发表题为“Magneto-Thermomechanically Reprogrammable Mechanical Metamaterials”(磁-热力可重新编程机械超材料)的科研论文。研究团队构建并展示了一种磁-热力驱动机制,通过在形状记忆聚合物(Shap...

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近日,上海交通大学密西根学院教师Jaehyung Ju团队在材料工程领域顶级期刊《Advanced Materials》(影响因子 32.086)发表题为“Magneto-Thermomechanically Reprogrammable Mechanical Metamaterials”(磁-热力可重新编程机械超材料)的科研论文。研究团队构建并展示了一种磁-热力驱动机制,通过在形状记忆聚合物(Shape Memory Polymer,以下简称“SMP”)上应用磁-热力耦合触发的预应力和非对称磁扭矩引起的结构非稳定性,使单一材料体系能够进行无束缚、可逆、低功耗、可重新编程和形状锁定的变形。

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磁-热力驱动机械超材料工作机制

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可重编程设计原理

为满足未来可重构结构材料的应用需求,智能材料应具有快速响应,变形可逆,形状锁定,可重新编程,能发生交互作用等特性。SMP常用于构建智能材料,与其它可编程材料(如水凝胶和液晶弹性体)相比,由于其具有与温度相关的反向刚度效应,在轻量但坚硬的可编程微观结构上有很大的应用潜力。然而,传统的SMP形变不可逆的缺点,严重限制了它们作为智能材料的可重构性。另一方面,磁控变形具有不受束缚和快速响应的优势,但它的一个缺点是需要额外的能量输入来保持形变。因此,如何通过结构设计和多物理场耦合驱动方式,使智能材料同时具有上述几种特性,是领域内亟待解决的难题。

Jaehyung Ju研究团队在无需合成新材料的情况下结合磁力控制与SMP的热机械行为,使两者相辅相成。研究团队提出以非接触式驱动的方式,将局部磁扭矩与 SMP 晶格结构的预应力耦合,最终展示出SMP晶格结构形状锁定的、无束缚的、可逆的变形。此外,他们还提出了智能结构材料可重新编程的全新实现思路 —— 结合磁矩的非对称排列与结构不稳定性,解决了可重编程所需功耗高、所需时间长的问题。因此,这项工作为智能超材料、可变刚度的软体机器人、多模态变形结构和机械计算设备开辟了一条新的设计途径。

Jaehyung Ju副教授是该论文的通讯作者。第一作者为密院博士生邹璧卉,共同作者为密院研究生梁子赫、钟狄珈、崔志铭、肖锴及密院本科毕业生邵爽。该研究工作得到国家自然科学基金,上海市自然科学基金和上海交通大学“海外引进非华裔外籍教师科研激励计划”支持。

背景介绍

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Jaehyung Ju,上海交通大学密西根学院副教授,博士生导师。2005年在美国德克萨斯农工大学获得博士学位,2006年至2011年在德克萨斯农工大学和美国克莱门森大学从事博士后研究。2011年至2016年曾任美国北德州大学助理教授。2016年加入密西根学院,主要进行机械超材料,4D打印,非充气轮胎的设计和力学理论研究。曾以通讯作者在顶级期刊Nature Communications, Advanced Materials, Advanced Functional Materials和Journal of the Mechanics and Physics of Solids发表论文。主持国家自然科学基金面上项目。

邹璧卉
上海交大密西根学院
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