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研究人員發(fā)明了一種新方法，用于組裝大型結(jié)構(gòu) - 甚至是飛機(jī)和橋梁 - 由小型互鎖復(fù)合材料組成。

麻省理工學(xué)院的研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，其小塊可以像兒童建筑玩具的磚塊一樣折斷在一起。研究人員表示，這種新材料可以徹底改變飛機(jī)，航天器甚至更大型結(jié)構(gòu)（如堤壩和堤壩）的組裝。

本周刊載于科學(xué)雜志的一篇論文中描述了新的建構(gòu)方法，該雜志由博士后的Kenneth Cheung和麻省理工學(xué)院的Bits and Atoms中心主任Neil Gershenfeld共同撰寫(xiě)。

Gershenfeld將結(jié)構(gòu)（由微小的，相同的，互鎖的部件組成）比作鏈子。這些部件基于Cheung與Gershenfeld開(kāi)發(fā)的新穎幾何形狀，形成了一種結(jié)構(gòu)，對(duì)于給定重量，其結(jié)構(gòu)比現(xiàn)有的超輕材料硬10倍。但是這種新結(jié)構(gòu)也可以輕松拆卸和重新組裝 - 例如修復(fù)損壞，或?qū)⒉考厥盏讲煌呐渲弥小?/span>

各個(gè)部件可以批量生產(chǎn); Gershenfeld和Cheung正在開(kāi)發(fā)一種機(jī)器人系統(tǒng)，將它們組裝成機(jī)翼，飛機(jī)機(jī)身，橋梁或火箭 - 以及許多其他可能性。

Gershenfeld說(shuō)，新設(shè)計(jì)結(jié)合了三個(gè)研究領(lǐng)域：纖維復(fù)合材料，多孔材料（用多孔電池制造）和增材制造（如三維印刷，其中結(jié)構(gòu)是通過(guò)沉積而不是去除材料建造的）。

傳統(tǒng)的復(fù)合材料 - 現(xiàn)在用于從高爾夫球桿和網(wǎng)球拍到波音新787飛機(jī)部件的所有部件 - 每件都是作為連續(xù)單元制造的。因此，制造大型結(jié)構(gòu)，例如飛機(jī)機(jī)翼，需要大型工廠(chǎng)，其中纖維和樹(shù)脂可以纏繞并且部件作為整體進(jìn)行熱固化，從而最小化在最終組裝中必須連接的單獨(dú)件的數(shù)量。例如，這一要求意味著波音公司的供應(yīng)商必須建造巨大的設(shè)施來(lái)為787制造零件。

磅為英鎊，新技術(shù)允許更少的材料承載給定的負(fù)載。這不僅可以減輕車(chē)輛的重量，例如 - 可以顯著降低燃料使用和運(yùn)營(yíng)成本 - 而且還可以降低建造和組裝的成本，同時(shí)允許更大的設(shè)計(jì)靈活性。該系統(tǒng)對(duì)于“你需要移動(dòng)，放置在空中或太空中的任何東西都很有用”，Cheung說(shuō)，他將于今年秋天開(kāi)始工作，擔(dān)任美國(guó)宇航局艾姆斯研究中心的工程師。
 

在實(shí)驗(yàn)室中，制備多孔復(fù)合材料樣品以測(cè)試其強(qiáng)度性質(zhì)。 照片由Kenneth Cheung提供

Gershenfeld說(shuō)，這個(gè)概念是針對(duì)“你能3D打印一架飛機(jī)嗎？”這個(gè)問(wèn)題而出現(xiàn)的。雖然他和Cheung意識(shí)到三維打印是如此大規(guī)模的不切實(shí)際的方法，但他們想知道它是否可能是可能而是使用他們正在研究的離散“數(shù)字”材料。

“這滿(mǎn)足了問(wèn)題的精神，”Gershenfeld說(shuō)，“但它是組裝而不是印刷。”該團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在正在開(kāi)發(fā)一種裝配機(jī)器人，它可以在一個(gè)不斷增長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)表面爬行，像昆蟲(chóng)一樣，逐個(gè)添加碎片現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)。

在傳統(tǒng)的復(fù)合材料制造中，大型部件之間的接頭往往是裂縫和結(jié)構(gòu)故障開(kāi)始的地方。雖然這些新結(jié)構(gòu)是通過(guò)連接許多小復(fù)合纖維環(huán)而制成的，但Cheung和Gershenfeld表明它們的行為類(lèi)似于彈性固體，其剛度或模量等于更重的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu) - 因?yàn)榱νㄟ^(guò)內(nèi)部結(jié)構(gòu)傳遞碎片分布在晶格結(jié)構(gòu)上。

更重要的是，當(dāng)傳統(tǒng)的復(fù)合材料受到破壞時(shí)，它們往往會(huì)突然大規(guī)模地失效。但研究人員說(shuō)，新的模塊化系統(tǒng)往往只是遞增地失敗，這意味著它更可靠，更容易修復(fù)。“這是一個(gè)大規(guī)模冗余的系統(tǒng)，”Gershenfeld說(shuō)。

Cheung生產(chǎn)了扁平的十字形復(fù)合材料，這些復(fù)合材料被夾在一個(gè)八面體單元的立方晶格中，這種結(jié)構(gòu)稱(chēng)為“cuboct” - 類(lèi)似于地殼的主要成分 - 鈣鈦礦礦物的晶體結(jié)構(gòu)。研究人員解釋說(shuō)，雖然可以拆卸各個(gè)組件進(jìn)行維修或回收，但它們不會(huì)自行脫落。與安全帶上的帶扣一樣，它們被設(shè)計(jì)成在正常使用中可能施加的力的方向上很堅(jiān)固，并且需要在完全不同的方向上施加壓力以便被釋放。

連接多種類(lèi)型零件的可能性為復(fù)合材料制造帶來(lái)了新的設(shè)計(jì)自由度。研究人員表明，通過(guò)組合不同的部件類(lèi)型，他們可以制作具有相同幾何形狀的變形結(jié)構(gòu)，但是在響應(yīng)負(fù)載時(shí)以不同方式彎曲：不是僅在固定關(guān)節(jié)處移動(dòng)，機(jī)器人的整個(gè)臂或飛機(jī)機(jī)翼都可以改變形狀。

負(fù)責(zé)飛機(jī)制造商空中客車(chē)公司創(chuàng)新計(jì)劃的Alain Fontaine表示，這種建筑結(jié)構(gòu)的新方法“確實(shí)具有破壞性。它為設(shè)計(jì)和制造飛機(jī)結(jié)構(gòu)提供了有趣的機(jī)會(huì)。“他說(shuō)，這些技術(shù)可以為其他機(jī)會(huì)敞開(kāi)大門(mén)”，并具有降低制造成本的巨大潛力。

除了Gershenfeld和Cheung之外，該項(xiàng)目還包括麻省理工學(xué)院的本科生Joseph Kim和校友Sarah Hovsepian（現(xiàn)在在美國(guó)宇航局的Ames研究中心）。這項(xiàng)工作得到了國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局和比特和原子中心的贊助者的支持，Spirit Aerosystems在復(fù)合材料開(kāi)發(fā)方面進(jìn)行了合作。

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