從工業機械到機器人手臂，各種裝置之所以能運作，往往是靠著彈簧、緩衝器與能量吸收材料這類機械結構來驅動與調節機械能量。德國卡爾斯魯厄理工學院（KIT）的科學家近日發表突破性研究成果，表示開發出一種新型機械超材料（mechanical metamaterial），可在不破壞結構的情況下，實現遠高出傳統材料 2 到 160 倍的彈性能量儲存能力（焓值）。
超材料是經過特殊設計的材料，具有自然界中不存在的特性，可以用來強化機械的行為。該研究刊登在《nature》期刊，《Interesting Engineering》、《SciTechDaily》報導，這項創新有望推動節能機器人、機械系統與兼具強度與耐用性的柔性結構技術邁向突破，讓能量運用更為高效。究竟這項材料的設計突出之處是什麼？
用「扭轉機制」突破彈性元件的極限
KIT 的研究團隊指出，傳統彈性元件如彈簧與緩衝器，在彎曲變形時會使應力集中於材料表面，導致破裂或永久變形，進而限制其能量儲存效能。為了解決這個問題，團隊改採「扭轉」而非「彎曲」的變形路徑，利用螺旋式的變形機制，並在桿件內部分散應力分佈，達到更均勻、更穩定的能量儲存效果。
論文共同作者卡爾斯魯厄應用材料研究所（IAM）材料力學教授 Peter Gumbsch 說明：「要同時達成高剛性、高強度與大範圍的可恢復性這些通常互相衝突的材料特性，是一大挑戰。」
研究團隊如何設計出高彈性的材料？
Gumbsch 與來自中國與美國的研究團隊，如何成功將高彈性能量儲存的概念轉化為可實際運作的機械超材料？
研究人員首先發現了一種可以在不破壞或永久變形的情況下，讓簡單圓柱桿件儲存大量能量的機制。接著，他們透過精巧的排列方式，將這項機制整合進超材料結構之中，創造出一種在拉伸或壓縮後，仍能恢復原狀的材料。
這些由多根扭轉桿件組成的基本結構單元，被稱為「chiral metacells（手性單元格）」，關鍵在於可自由旋轉並發生扭轉屈曲（twist buckling）。這些結構單元組成的材料，在整體上呈現出高剛性、高強度又可變形的結構特性，是高焓值儲能表現的關鍵。
根據該研究，電腦模擬預測，這種超材料將具有高剛性，能承受較大的外力作用。實驗結果也證實，這種材料的能量儲存能力（焓值）比其他已知的機械超材料高出 2 至 160 倍。
未來應用：橫跨機器人、減震與可變結構裝置
這項成果為機械能量儲存領域帶來重要進展。研究團隊認為，這類具高焓值的超材料，未來可應用於需同時具備儲能與抗衝擊的領域上。除了讓機器人更加靈活和耐用，還可以更有效儲存和釋放能量，提高整體性能。
另外一個潛在應用是，這些新型機械超材料的內部扭轉機制有潛力應用於純彈性的關節設計，以取代傳統的鉸鏈結構，改善機器人身體和可穿戴外骨骼的運動能力。
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＊本文開放合作夥伴轉載，資料來源：《Interesting Engineering》、《nature》、《SciTechDaily》，首圖來源：AI 工具 Image Creator 生成。
