一种新的方法将小的联锁部件组装成大的结构

麻省理工学院的研究人员已经开发出一种轻量级结构，它的小块可以像孩子的建筑玩具的砖块一样被啪的一啪合在一起——机器人将帮助建造。研究人员说，这种新材料可能会彻底改变飞机、宇宙飞船甚至更大结构的组装方式，比如堤坝和防洪堤。

该杂志8月11日发表的一篇论文描述了这种新的建造方法科学，由博士后Kenneth张和麻省理工学院比特与原子中心主任Neil Gershenfeld共同撰写。

格申菲尔德把这种由微小的、相同的、相互锁在一起的部件组成的结构比作锁子甲。这些部件基于张与Gershenfeld共同开发的新型几何结构，形成了在给定重量下比现有超轻材料坚硬10倍的结构。但这种新结构也可以很容易地拆卸和重新组装，比如修复损坏，或将零件回收成不同的配置。

单个部件可以批量生产;Gershenfeld和张正在开发一种机器人系统，将它们组装成机翼、飞机机身、桥梁或火箭——以及其他许多可能性。

格申菲尔德说，新的设计结合了三个研究领域:纤维复合材料、多孔细胞材料(由多孔细胞制成的材料)和增材制造(如3d打印，通过沉积而不是去除材料来建造结构)。

传统的复合材料——现在被广泛应用于从高尔夫球杆、网球拍到波音新787飞机的部件——每一块都是作为一个连续的单元制造的。因此，制造大型结构，如飞机机翼，需要大型工厂，纤维和树脂可以缠绕，零件可以作为一个整体热固化，从而最大限度地减少最终组装中必须连接的独立部件的数量。例如，这一要求意味着，波音的供应商必须建造巨大的设施来为787制造零部件。

同样的重量，新技术允许更少的材料来承受给定的负荷。例如，这不仅可以减轻车辆的重量(这可以显著降低燃料的使用和运营成本)，还可以降低建造和组装的成本，同时允许更大的设计灵活性。张说，这个系统对“你需要移动的任何东西，或者放在空中或太空中”都很有用。张将于今年秋天开始在美国宇航局艾姆斯研究中心担任工程师。

格申菲尔德说，这个概念源于一个问题:“你能3d打印一架飞机吗?”虽然他和张意识到3d打印在如此大规模的情况下是一种不切实际的方法，但他们想知道是否有可能使用他们正在研究的离散“数字”材料。

“这满足了问题的精神，”格申菲尔德说，“但它是组装而不是打印出来的。”该团队目前正在开发一种组装机器人，它可以像昆虫一样在不断生长的结构表面爬行，将碎片一个接一个地添加到现有结构上。

在传统的复合材料制造中，大型部件之间的接头往往是裂缝和结构故障开始的地方。虽然这些新结构是通过连接许多小的复合纤维环制成的，张和Gershenfeld表明，它们表现得像弹性固体一样，具有与更重的传统结构相同的刚度或模量，因为力是通过碎片内部的结构传递的，并分布在晶格结构上。

更重要的是，当传统的复合材料受力到断裂点时，它们往往会突然大规模地失效。但研究人员说，新的模块化系统往往只会逐渐出现故障，这意味着它更可靠，也更容易修复。“这是一个大量冗余的系统，”格申菲尔德说。

张生产扁平的十字形复合材料块，它们被夹进八面体细胞的立方晶格中，这种结构被称为“立方体”——它类似于矿物钙钛矿的晶体结构，钙钛矿是地壳的主要组成部分。研究人员解释说，虽然单个组件可以拆卸维修或回收，但它们没有自行解体的风险。就像安全带上的扣扣一样，它们被设计成在正常使用时可能施加的力方向上很强，并且需要在完全不同的方向上施加压力才能释放。

连接多种类型部件的可能性为复合材料制造带来了新的设计自由度。研究人员表示，通过组合不同的部件类型，他们可以制造具有相同几何形状、但在负载下以不同方式弯曲的变形结构:机器人的整个手臂或飞机的机翼可以改变形状，而不仅仅是在固定的关节处移动。

除了Gershenfeld和张，该项目还包括麻省理工学院的本科生Joseph Kim和校友Sarah Hovsepian(现在在NASA的Ames研究中心工作)。这项工作得到了美国国防高级研究计划局和比特原子中心的支持，Spirit航空系统公司在复合材料开发方面进行了合作。

麻省理工学院

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