??超材料概念來源于1968年前蘇聯(lián)理論物理學(xué)家菲斯拉格觀察到的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率都為負(fù)值物質(zhì)的電磁學(xué)特性與常規(guī)材料不同的現(xiàn)象和理論預(yù)測(cè)。目前，超材料的一般定義為具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料，是將人造單元結(jié)構(gòu)以特定方式排列形成的具有特殊電磁特征的人造結(jié)構(gòu)材料。典型的超材料包括“左手材料”、光子晶體、“超磁性材料”等。機(jī)械超材料的特異性主要是來源于其微觀結(jié)構(gòu)元素的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。然而，機(jī)械超材料一旦制造出來，就具有了固定的性能，無法進(jìn)一步適應(yīng)和調(diào)整。韓國(guó)高麗大學(xué)和羅格斯大學(xué)合作，通過4D打印的技術(shù)，研發(fā)出一種可幾何可重構(gòu)，功能可變以及機(jī)械可調(diào)的輕質(zhì)超材料。另外，通過采用具有形狀記憶聚合物的數(shù)字微3D打印技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)超材料在剛度、幾何結(jié)構(gòu)和功能方面的可逆性改變。

該工作使用一種光交聯(lián)和溫度響應(yīng)的SMP作為機(jī)械超材料的組成材料。SMP是一種聚合物材料，能夠維持暫時(shí)變形的形狀（形狀編程），并在適當(dāng)?shù)拇碳ぃㄈ缂訜幔┫禄謴?fù)到原來的形狀（形狀恢復(fù)）。這種形狀記憶效應(yīng)已被廣泛研究過，并在許多工程應(yīng)用中廣泛應(yīng)用于智能結(jié)構(gòu)。使用SMP的3D打印在4D打?。ㄐ螤钷D(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的3D打印）的新興領(lǐng)域中發(fā)揮了核心作用，但重點(diǎn)主要集中在幾何轉(zhuǎn)換上。同時(shí)，利用SMP在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）周圍的玻璃態(tài)和橡膠態(tài)之間的實(shí)質(zhì)性力學(xué)性質(zhì)的轉(zhuǎn)變，并將其應(yīng)用于機(jī)械超材料。利用數(shù)字光處理（DLP）添加劑制造技術(shù)、投影微立體光刻（PμSL）和SMP，該工作開發(fā)了一種輕質(zhì)機(jī)械超材料，剛性調(diào)節(jié)可以超過100倍，從而很好地控制減震此外，超材料可以顯著變形并且可以鎖定在任意幾何體中，同時(shí)也能保持其機(jī)械性能。即使在劇烈變形之后也能完全恢復(fù)原始的形狀和剛度，這使得該超材料能夠在各種情況下承受較大的機(jī)械載荷。

這種神奇的材料，可用于提高飛機(jī)或無人機(jī)機(jī)翼性能，還可用于空間發(fā)射的坍塌輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，甚至更大結(jié)構(gòu)的太空板的重建。由這種材料制成的軟機(jī)器人像章魚一樣柔韌，可根據(jù)環(huán)境和當(dāng)前任務(wù)，調(diào)整靈活性或剛度。而將其插入微小裝置植入人體進(jìn)行診斷或治療，可以讓介入裝置暫時(shí)變得柔軟和靈活，進(jìn)入人體進(jìn)行微創(chuàng)手術(shù)并減少疼痛。

【圖文解析】

圖1. 4D機(jī)械超材料打印。（a）數(shù)字添加劑制造工藝示意圖。（b）光固化形狀記憶聚合物（SMP），由丙烯酸（AA）作為單體形成鏈段，雙酚A乙氧基二甲基丙烯酸酯（BPA）作為交聯(lián)劑形成交聯(lián)節(jié)點(diǎn)。（c）SMP的存儲(chǔ)模量、損耗模量和tanδ。（d）SMP微晶格的典型形狀記憶循環(huán)。通過加熱、變形和冷卻進(jìn)行形狀編程，加熱后形狀恢復(fù)到原來的形狀。比例尺為2mm。

圖2.熱可調(diào)機(jī)械性能。（a）OT4和（b）KF4在五個(gè)溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。對(duì)數(shù)尺度上（c）OT和（d）KF微格的有效楊氏模量與相對(duì)密度的關(guān)系。OT和KF的模量從30℃顯著下降到90℃。在所有溫度下，OT的比例因子為1.2的線性關(guān)系和kf的比例因子為2.2的二次關(guān)系保持不變。（e）OT2和（f）KF2在30 ℃和90 ℃下連續(xù)兩次壓縮循環(huán)的應(yīng)力應(yīng)變曲線。微格頂部圖像中的比例尺為2mm。

注釋：八位體桁架（OT）和四面體單元（也稱為Kelvin泡沫，KF）為拉伸和彎曲支配的微晶格的代表性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖3.熱可調(diào)、可重構(gòu)和可部署的微晶格。（a）沖擊試驗(yàn)臺(tái)示意圖。（b）KF樣品在30℃和90℃沖擊載荷期間的延時(shí)圖像。比例尺為3 mm。（c）在30 ℃和90 ℃下在基板上測(cè)量的加速度。（d）可重構(gòu)微晶格。i）樣品處于其原始形狀并承受載荷；i i）樣品編程為不同的幾何結(jié)構(gòu)并承受相同的載荷；i i i）加熱后樣品返回其原始形狀；i v）將樣品重新編程為彎曲形狀并仍承受相同的載荷；v）加熱后樣品再次返回其原始形狀。比例尺為5 mm。（e）可展開的KF微晶格。i）將原始形狀的樣品（總厚度大于通道內(nèi)徑）放置在左室中并承受荷載，i i）將樣品編程為直徑較小并通過彎曲通道導(dǎo)航至右室，i i i）樣品從通道中出來并重新獲得右艙承載能力。比例尺為20mm。

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