据外媒报道，卡尔斯鲁厄理工学院（Karlsruhe Institute of Technology，KIT）组织的国际研究团队开发处具有高弹性能量密度的机械超材料。高度扭曲的螺旋形杆为这些超材料提供了高刚度，使它们能够吸收和释放大量的弹性能量。研究人员进行了简单的压缩实验，以证实初步的理论结果。相关研究结果发表在期刊《Nature》。

图片来源： 期刊《Nature》

许多技术都需要储存机械能，包括用于吸收能量的弹簧、用于储存机械能的缓冲器，或机器人或节能机器中的柔性结构。动能，即运动能或相应的机械功，被转换成弹性能，以便在需要时可以再次完全释放。

这里的关键特性是焓（enthalpy）——材料元素中可以存储和恢复的能量密度。卡尔斯鲁厄理工学院应用材料研究所（IAM）材料力学教授Peter Gumbsch解释说，实现尽可能高的焓是一项挑战：“困难在于将相互冲突的特性结合起来：高刚度、高强度和大可恢复应变。”

超材料中螺旋变形棒的巧妙排列

超材料是自然界中不存在的人工设计材料。它们由单独定义的单元组装而成，因此可以增强其有效材料性能。Gumbsch还是弗劳恩霍夫材料力学研究所（IWM）的负责人，他与来自中国和美国的国际研究团队现已成功开发出具有高可恢复弹性能量密度的机械超材料。

“首先，我们发现了一种机制，可以在简单的圆棒中储存大量能量，而不会使其断裂或永久变形，”Gumbsch表示。“通过定义棒的巧妙排列，我们将这种机制集成到超材料中。”

科学家将这种机制与经典的弯曲弹簧进行了比较，其最大变形受到顶部和底部表面的高拉伸和压缩应力的限制，并导致断裂或永久塑性变形。在这种弯曲弹簧中，整个内部体积上的应力非常低。

然而，如果一根杆被扭曲，它的整个表面也会受到高应力，但在低应力下的内部体积要小得多。为了利用这种机制，扭转必须非常高，以导致复杂的螺旋屈曲变形。

焓比其他超材料高2至160倍

研究人员成功将这种扭转负载和螺旋变形的棒集成到一种可在单轴负载下宏观使用的超材料中。通过仿真，研究人员预测该超材料将具有高刚度，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。为了证实这一点，该团队对具有镜像手性结构的各种超材料进行了简单的压缩实验。

“我们的新型超材料具有高弹性储能能力，未来有可能用于需要高效储能和出色机械性能的各个领域，”Gumbsch表示。

除了基于弹簧的能量存储之外，可以想到的应用还包括减震或阻尼以及机器人或节能机器中的柔性结构。或者，超材料内部发生的扭曲可用于纯弹性关节。