2026年2月11日，麻省理工学院(MIT)的研究人员开发了一种计算平台框架，用于设计柔软、灵活且可编程的3D编织超材料。与依赖刚性和轻质结构的传统超材料不同，这种编织晶格可以逐根纤维地进行调控，从而实现可控的拉伸、弯曲或断裂，为软体机器人、可穿戴设备和柔性电子产品开辟了新的可能性。
△扫描电子显微镜拍摄的编织可变形超材料的图像。图片来自麻省理工学院
相关研究成果以“Design framework for programmablethree-dimensional woven metamaterials/可编程三维编织超材料的设计框架”为题发表于《自然通讯》，被认为是首个将软性三维编织超材料的设计、仿真和制造完全整合的框架，实现了此前难以实现的纤维级控制和可编程力学行为。这项研究利用了麻省理工学院纳米实验室（MIT.nano）的设施，并得到了James Utama Surjadi、Bastien FG Aymon和Ling Xu的贡献。
从刚性晶格到柔性可编程材料
超材料是一种工程材料，性能由内部结构而非成分决定，传统上强调刚度和强度。然而，新兴的工程挑战要求超材料具备柔顺性、灵活性和可调控性。麻省理工学院的这项新框架能够创建由相互交织的纤维组成的三维编织结构，这些纤维能够自接触和缠绕，从而产生独特的、可编程的行为。
罗伯特·N·诺伊斯职业发展教授、机械工程副教授卡洛斯·波特拉解释说：“迄今为止，这些复杂的3D晶格都是手工精心设计的，这限制了人们测试过的设计数量。我们已经能够描述这些编织晶格的工作原理，并利用这些信息创建了一个用于任意编织晶格的设计工具。有了这种设计自由度，我们就能设计晶格在拉伸时形状的变化方式、纤维相互缠绕和打结的方式，以及在拉伸到极限时撕裂的方式。”
△打印超材料的基本组成单元是编织单元，通过控制各种设计参数（例如构成编织支柱的纤维的半径和间距），可以实现功能梯度变化。图片来自麻省理工学院。
开源框架采用基于图的设计算法，可将用户规格转换为精确的纤维布局。每个编织单元均可通过纤维半径和间距等参数进行分级和定制。用户可以在打印前模拟变形、自接触和缠结，从而预测材料的拉伸、弯曲或失效情况。本研究的主要作者莫莉·卡顿说：“由于这种框架允许对这些超材料进行定制，使其在某些地方更柔软，在另一些地方更坚硬，或者在拉伸时改变形状，因此它们可以展现出使用传统软材料难以设计的非凡行为。”
波特拉补充道：“最令人兴奋的是能够定制这些材料的失效模式，并设计任意组合。基于模拟结果，我们能够制造这些空间变化的几何形状，并在微观尺度上进行实验。”
拓展在各个工程领域的应用
除了加速设计之外，计算框架还拓宽了编织超材料的潜在应用。这些应用包括可贴合皮肤的可穿戴传感器、柔性电子设备、航空航天和国防织物以及软体机器人组件。通过发布开源代码，麻省理工学院的研究团队鼓励研究人员探索新的模式、优化性能并开发全新的应用。莫莉说道：“我们希望通过发布这个框架的软件工具，能够启发其他研究人员探索编织晶格的各种可能性，并找到利用这种设计灵活性的新方法。我期待着看到我们的工作能够开启哪些新的篇章。”
麻省理工学院框架对3D打印超材料的影响
在麻省理工学院取得突破之前，3D打印超材料虽然可以通过几何结构实现一些特殊性能，但设计往往是固定的、均匀的，或者需要手动优化，这限制了可调谐性和可编程性。例如，混合拉胀晶格可以提高能量吸收，声学超材料可以控制噪声频率，但两者都依赖于静态的内部结构。虽然也存在一些计算工具可以利用优化或机器学习来探索机械超材料的空间，但它们无法提供纤维级别的、可直接打印的复杂编织结构设计工作流程。
麻省理工学院的框架通过将设计、仿真和制造集成到一个工具中，消除了这些限制，从而能够对编织晶格进行逐根纤维的定制。然而，挑战依然存在。模拟复杂的纤维排列需要大量的计算资源，尤其对于大型或复杂的晶格结构而言更是如此。纤维放置的精度至关重要，因为3D打印过程中哪怕是微小的偏差都可能导致意想不到的变形或降低机械性能。材料的选择也会影响最终结果：过软的纤维会降低承载能力，而过硬的纤维则可能引入易撕裂的应力点。由于难以始终如一地复制精确的纤维放置和缠结，因此将这些设计扩展到工业生产或高通量应用中仍然面临挑战。
来源：南极熊
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