#非凡十年 出彩中原#【沈丘：非凡十年共筑梦 不忘初心好扬帆】
时间是最忠实的记录者，是开拓者前行的刻度，是奋斗者筑梦的见证……十年风雨兼程，春华秋实如歌。党的十八大以来，沈丘全县干群以拼搏实干的锐气、舍我其谁的豪气、不胜不休的志气，攻坚克难，砥砺前行，奋力谱写高质量发展新篇章，用实干交上了一份靓丽的答卷。
非凡十年，成绩斐然。沈丘县地区生产总值从2012年的166.8亿元上升到2021年的367.2亿元，增长120%；城乡居民人均可支配收入从2012年的10778元上升到2021年的20000元，增长85.5%；县域经济位列全省30强，实现了“十四五”良好开局。
尤其是2022年以来，沈丘县围绕省委“两个确保”“十大战略”决策部署，立足“工业强县、产业兴县”，以“美丽大花园、幸福新沈丘”建设为总抓手，统筹做好疫情防控和经济社会发展，全县各项工作呈现出稳中向好的良好态势。
项目建设大发展
沈丘县抓好“工业强县、产业兴县”。坚持“项目为王”理念，滚动推进“三个一批”项目建设，重点推动工业经济发展。实施“三招三引”工程，国润芯片电池、瑞茂通大豆蛋白、龙源低速风电、环龙工业机器人、安钢电磁新材料、凯旺科技等一大批投资10亿元以上项目先后落户沈丘。
实施“旬推进、月观摩”机制，康雅家纺、国网自控、周钢专用码头、铁路专用线等一批省、市重点项目开工建设。积极开展“要素保障行动”，全力解决制约项目建设的资金、用地、用工等问题，安钢一期一步、金茂高科、大唐5G创新谷、金象机械等项目全部建成投产。
实施工业发展“1+10+2”工程。“1”是围绕周钢发展，着力延链补链强链，周钢焦化、铁路专用线、专用码头等重点项目快速推进，12月底可全部建成投用。“10”是围绕食品加工、电子信息主导产业及特色产业，将福华邦杰、凯旺科技、国润芯片电池、康雅纺织等列入“十大工业”项目，动态调整、滚动推进。“2”是抓好要素保障（资金、土地）和安全生产工作。在开发区南北园区分别储备工业用地不低于500亩，做到“需用即供”；建立银行对接扶持企业制度，累计为75家工业企业发放贷款11.3亿元。
同时，组织专班，稳步推进金丝猴食品2023年上市、晶鑫科技2024年上市，引进泰燃智能科技2025年上市，力争“十四五”末全县上市企业达到5家。
城市建设大提质
沈丘县一方面积极做好国土空间规划，申报58个省级重点项目，增加城市建设开发用地24.56平方公里，另一方面，大力实施1+5+“十百千”工程。
“1”是实施城市更新“二十工程”；“5”是改造提升到临泉、界首、项城、淮阳五大出城通道；“十”是建设10座文化主题公园；“百”是建设100座口袋公园；“千”是建设1000里生态绿道。
截至目前，上半年全县共完成老旧小区改造1处、城区道路10条、小街小巷47条。和谐路、长安东路、吉祥西路三条道路完成和谐拆迁，于7月1日全面开工建设；64家单位实现“拆墙透绿”，187处口袋公园、微景观建成开放；10座主题公园中，西蔡河湿地公园建成开园，红闸湿地公园、初心文化公园、中华民族共同体文化公园将于10月1日建成开园；沙河湾森林公园将于12月份向市民开放；“千”里生态绿道，完成建设19.3公里，“公园之城”初步显现，城区现有公园绿地面积818.4公顷，绿地率37.2%，人均公园绿地面积达13.02㎡。
同时，规划建设高铁新城和钢铁新城。目前，北大土人等三家规划设计研究院已完成占地10平方公里高铁新城初步规划，“三纵三横”基础路网勘探设计已完成；奥林匹克文化公园完成规划设计，预备开工建设。按照“产、城、人、文”理念，坚持前瞻30年眼光，规划设计总占地51平方公里的钢铁新城。
乡村振兴大提速
沈丘县以“党的建设、特色产业、集体经济、人居环境、群众工作”五项重点工作为抓手，努力打造“豫皖两省边际美丽乡村示范县”。
抓好“五星”支部创建。成立沈丘县“五星”支部创建工作领导小组，下发《“五星”支部创建流程图》，全面推进5个“五星”、23个“四星”、155个“三星”、308个“二星”和58个“一星”支部创建；同时，坚持党建统领，持续推进国土综合整治，全县共整理土地2500亩，有效解决了建设用地制约难题，也是周口市第一家破解土地难题的实践探索。推动医共体建设改革，打造“六乡十村”中医药特色诊疗样板，被河南日报、河南广播电视台宣传报道。
持续提升农村人居环境。实施“三边四化五美”工程，推进“一村万树”“一宅变四园”和美丽村庄“12345+”建设，持续开展坑塘治理、村内“违、废、旧”房和沟渠违建拆除等工作，农村人居环境综合评比连续四次获得全市第一名，全省前20名，先后两次被河南卫视报道。已被推荐为“全省十佳美丽乡村示范县”。
实施“产业振兴”工程。按照“园区+龙头企业+基地+农户+市场”模式，做大做强农产品精深加工产业园。总投资10亿元的瑞茂通大豆植物蛋白项目，年内计划投资5亿元。京福华集团对接盘活邦杰食品项目，新增规模养殖肉牛存栏5000头，带动农户1500户，分散养殖7500头；投资1亿元建设食用菌现代农业产业园项目，涵盖1座智能化食用菌研发中心和2000亩社区型模块化种植基地，12月底前投入运营。
民生事业大改善
“问渠那得清如许，为有源头活水来”。沈丘发展的原动力，就是让人民群众共享发展成果的铮铮誓言。今年以来，沈丘经济快速发展、居民安居乐业、面貌焕然一新、未来充满希望,而“着力保障和改善民生”犹如一条“红线”，贯穿始终。
“妈妈，看孔雀开屏了，好漂亮呀！”8月20日上午，在沈丘县雀苑公园里，来自高营居委会的高晓云正领着7岁的女儿游览，女儿突然看到开屏的孔雀，兴奋地喊到，正在游玩的其他几位市民听到喊叫声，也一起围过去观看。
据公园管理员刘建栋介绍，雀苑公园面积12亩，原来是一个废弃的饭店，因长期无人管理，院里杂草丛生、垃圾遍地、污水横流，到了夏季更是蚊蝇肆虐、臭气熏天，特别是里面饲养的几只大型犬更是让人望而生畏，过往行人大多不敢驻足，匆匆而过。今年4月，沈丘县委书记田庆杰在调研中了解到这一情况后，多次前往实地查看，经研究决定收回土地改造成公园，供群众休闲娱乐。
经过近两个月的拆危、拆旧，并对周围黑臭水体进行治理，植树补绿等，一个集休闲娱乐、图书阅读于一体的水清树绿、环境幽雅的公园建成了，院里原有的几只孔雀也飞回来安家栖息，与游人和谐相处，大家亲切地称这里为“雀苑”，也成为周围群众的休闲好去处和网红打卡地。在邻近雀苑公园居住的68岁居民沈素荣说：“原来一到夏天，都不敢开窗户，自从公园建成后，我每天都要到这儿来转转。”
在提升群众获得感、幸福感方面，沈丘县不断创新机制、加大资金投入，着力破解就学、就医、休闲、阅读、停车、如厕等热点难点问题。
该县由于人口基数大，近几年来，随着城市化进程的快速推进，农村人口不断向城区转移，城区原有的教育资源已经远远不能适应城市发展的需要，大班额和特大班额问题相继产生，群众意见很大。
今年，沈丘县委县政府把解决教育资源短缺问题作为最大民生问题之一，试行义务教育集团化办学，通过1+N方式，通过“名校带普校，强校带弱校”，使县城优质教育资源向农村倾斜，通过人才引进机制，招聘高学历教师100余名，聘任特岗教师200名充实到教师队伍，减少农村学生进城就读现象。通过多方融资，筹集建设资金11亿余元，新建、改扩建中小学校13所，所有新建和改扩建学校完工后，可增加学位2.3万余个，大班额问题将基本解决。
沈丘县围绕打造共享之城，提升公共服务能力，着力化解群众如厕难和停车难。机关单位实施拆墙透绿，打造共享绿色空间的同时，临主次干道的96家机关单位厕所向市民开放。并在城区建成投入使用50座水冲式公厕的基础上，计划新建和改建水冲式公厕150余座，目前已建成10座，改造完成15座，其余的正在加紧建设中；沿主次干道新划定路边停车位7265个，新建停车场5处、增加停车位近2000个，沿街机关单位的1500多个停车位向社会开放。
如今，沈丘县广大群众期盼解决的上学、就医、养老、休闲娱乐等与群众日常生活密切相关的民生难题正一一得到化解，群众的幸福感、获得感和对政府的满意度显著提高，政府的凝聚力、向心力更加强劲，城乡人居环境的彻底改善，让“美丽大花园、幸福新沈丘”不仅具有了良好的外部形象，更增添了内涵和质感，真正把实事好事做到了群众心坎里。
风劲帆满图新志，直挂云帆济沧海。沈丘正处在追赶超越的重要历史时期，展现在我们面前的，是一幅次第展开、令人憧憬的宏伟蓝图，是一个孕育希望、催人奋进的崭新征程。只要知重负重、唯勤唯实，抓紧每一天、干好每一天，就一定能谱写“美丽大花园、幸福新沈丘”的现代化建设崭新篇章。
时间是最忠实的记录者，是开拓者前行的刻度，是奋斗者筑梦的见证……十年风雨兼程，春华秋实如歌。党的十八大以来，沈丘全县干群以拼搏实干的锐气、舍我其谁的豪气、不胜不休的志气，攻坚克难，砥砺前行，奋力谱写高质量发展新篇章，用实干交上了一份靓丽的答卷。
非凡十年，成绩斐然。沈丘县地区生产总值从2012年的166.8亿元上升到2021年的367.2亿元，增长120%；城乡居民人均可支配收入从2012年的10778元上升到2021年的20000元，增长85.5%；县域经济位列全省30强，实现了“十四五”良好开局。
尤其是2022年以来，沈丘县围绕省委“两个确保”“十大战略”决策部署，立足“工业强县、产业兴县”，以“美丽大花园、幸福新沈丘”建设为总抓手，统筹做好疫情防控和经济社会发展，全县各项工作呈现出稳中向好的良好态势。
项目建设大发展
沈丘县抓好“工业强县、产业兴县”。坚持“项目为王”理念，滚动推进“三个一批”项目建设，重点推动工业经济发展。实施“三招三引”工程，国润芯片电池、瑞茂通大豆蛋白、龙源低速风电、环龙工业机器人、安钢电磁新材料、凯旺科技等一大批投资10亿元以上项目先后落户沈丘。
实施“旬推进、月观摩”机制，康雅家纺、国网自控、周钢专用码头、铁路专用线等一批省、市重点项目开工建设。积极开展“要素保障行动”，全力解决制约项目建设的资金、用地、用工等问题，安钢一期一步、金茂高科、大唐5G创新谷、金象机械等项目全部建成投产。
实施工业发展“1+10+2”工程。“1”是围绕周钢发展，着力延链补链强链，周钢焦化、铁路专用线、专用码头等重点项目快速推进，12月底可全部建成投用。“10”是围绕食品加工、电子信息主导产业及特色产业，将福华邦杰、凯旺科技、国润芯片电池、康雅纺织等列入“十大工业”项目，动态调整、滚动推进。“2”是抓好要素保障（资金、土地）和安全生产工作。在开发区南北园区分别储备工业用地不低于500亩，做到“需用即供”；建立银行对接扶持企业制度，累计为75家工业企业发放贷款11.3亿元。
同时，组织专班，稳步推进金丝猴食品2023年上市、晶鑫科技2024年上市，引进泰燃智能科技2025年上市，力争“十四五”末全县上市企业达到5家。
城市建设大提质
沈丘县一方面积极做好国土空间规划，申报58个省级重点项目，增加城市建设开发用地24.56平方公里，另一方面，大力实施1+5+“十百千”工程。
“1”是实施城市更新“二十工程”；“5”是改造提升到临泉、界首、项城、淮阳五大出城通道；“十”是建设10座文化主题公园；“百”是建设100座口袋公园；“千”是建设1000里生态绿道。
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据公园管理员刘建栋介绍，雀苑公园面积12亩，原来是一个废弃的饭店，因长期无人管理，院里杂草丛生、垃圾遍地、污水横流，到了夏季更是蚊蝇肆虐、臭气熏天，特别是里面饲养的几只大型犬更是让人望而生畏，过往行人大多不敢驻足，匆匆而过。今年4月，沈丘县委书记田庆杰在调研中了解到这一情况后，多次前往实地查看，经研究决定收回土地改造成公园，供群众休闲娱乐。
经过近两个月的拆危、拆旧，并对周围黑臭水体进行治理，植树补绿等，一个集休闲娱乐、图书阅读于一体的水清树绿、环境幽雅的公园建成了，院里原有的几只孔雀也飞回来安家栖息，与游人和谐相处，大家亲切地称这里为“雀苑”，也成为周围群众的休闲好去处和网红打卡地。在邻近雀苑公园居住的68岁居民沈素荣说：“原来一到夏天，都不敢开窗户，自从公园建成后，我每天都要到这儿来转转。”
在提升群众获得感、幸福感方面，沈丘县不断创新机制、加大资金投入，着力破解就学、就医、休闲、阅读、停车、如厕等热点难点问题。
该县由于人口基数大，近几年来，随着城市化进程的快速推进，农村人口不断向城区转移，城区原有的教育资源已经远远不能适应城市发展的需要，大班额和特大班额问题相继产生，群众意见很大。
今年，沈丘县委县政府把解决教育资源短缺问题作为最大民生问题之一，试行义务教育集团化办学，通过1+N方式，通过“名校带普校，强校带弱校”，使县城优质教育资源向农村倾斜，通过人才引进机制，招聘高学历教师100余名，聘任特岗教师200名充实到教师队伍，减少农村学生进城就读现象。通过多方融资，筹集建设资金11亿余元，新建、改扩建中小学校13所，所有新建和改扩建学校完工后，可增加学位2.3万余个，大班额问题将基本解决。
沈丘县围绕打造共享之城，提升公共服务能力，着力化解群众如厕难和停车难。机关单位实施拆墙透绿，打造共享绿色空间的同时，临主次干道的96家机关单位厕所向市民开放。并在城区建成投入使用50座水冲式公厕的基础上，计划新建和改建水冲式公厕150余座，目前已建成10座，改造完成15座，其余的正在加紧建设中；沿主次干道新划定路边停车位7265个，新建停车场5处、增加停车位近2000个，沿街机关单位的1500多个停车位向社会开放。
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【从太极图中获取内部结构设计灵感，超“听话”的超材料诞生了！】记者9月12日从国防科技大学获悉，该校的研究者们提出一种原创性的智能超材料设计方法，实现了金属基材料刚度和形状的大范围、连续、快速调节，具有重要的科学意义和工程应用价值。
相关研究作为8月封面文章https://t.cn/A6SEOJHF近日发表于《自然—材料》，并被《自然》评为今年6月全球重要科技进展（全球共4项）。
齿轮簇实现机械性能调节
近年来，智能材料广受关注，它是智能装备与结构设计的基础。材料弹性的调节对于智能机器、机器人、飞机和其他系统非常必要。然而，常规材料一旦制备，特性就几乎不能改变，部分材料在高温相变时才能呈现一定的调节性，但不具备工程实际可操作性。
“机械/力学超材料是具有超出常规材料力学性能的结构功能材料，为高性能装备设计提供了前沿技术支撑，但传统超材料设计方法依然无法实现稳定连续的参数控制，需要颠覆性设计思维才能突破该瓶颈。”该校智能科学学院振动与噪声控制研究团队带头人、论文共同通讯作者温激鸿表示。
“限制力学超材料实现智能化调节的根本原因在于传统超材料的设计都遵循同一种模式，即将梁、杆、板等单功能的承载基元用固定或屈曲结点连接构成确定性拓扑结构，这种模式下，当受到应力、热或电磁场的刺激时，超材料会因为屈曲或旋转铰链而发生重构，从而改变刚度，同时会造成塑性变形且变化不连续，调节过程十分困难。”论文第一作者兼共同通讯作者、研究团队副研究员方鑫说。
为解决这个难题，研究团队提出了基于多功能动态基元和易变—牢固耦合模式的智能可编程机械/力学超材料设计范式，设计了系列基于齿轮的智能超材料，突破了宏观与微观、金属基和复合材料基超材料的集成一体化制造和集成驱动技术，实现了金属基材料的大范围、连续、快速调节。
通俗地说，该团队设计了一个由齿轮制成的智能材料，它可以根据不同的“命令”，在齿轮旋转时，使坚固的材料变得更坚硬/更柔软或变形。
“这是一种前所未有的设计方法。”方鑫表示，可调性能够通过组装具有内置刚度梯度的元件实现。要实现机械性能可调但坚固的固体，需要确保在大作用力下的可调性和强耦合（可靠连接），同时避免在调整时发生塑性变形。“我们发现，这种可变而又强的耦合可以通过齿轮簇实现。”
方鑫透露，除了尝试以齿轮作为基元外，团队还尝试过很多其他构型，比如广泛关注的折纸构型、各类弹性屈曲构型、双稳态/多稳态构型，但都无法实现他们想要的这种调控特性。
为什么是齿轮簇？“可靠的齿轮啮合可以平稳地传递旋转和沉重的压缩载荷。”方鑫说，刚度梯度可以内置到单独的齿轮体中，也可以通过分层齿轮组件实现。齿轮组可以组装成单元组，而单元做恰当排列就可形成超材料。
从太极图中获取内部结构设计灵感
既然齿轮是可被利用的元件，那它的内部结构该如何设计？
超材料的可调性取决于其内置中空部分的形状。“想要实现可调但坚固的材料，需要确保在大作用力下的可调性和鲁棒可控性，同时避免调谐中塑性变形。”方鑫表示，在众多设计方案中，团队从太极图中获取灵感，最终设计了形似太极图的齿轮，其形状以螺旋方向为特征，可以提供平滑的变化和极性。
“太极图的灵感是从中国传统文化中获得的。当时我在用笔构思各种简单大气又有用的形状，脑子里突然闪现《易经》中‘两仪生四象，四象生八卦’这句话，随之就想起了太极图。因为太极的核心思想就是‘变化’，而我们想要的材料特性也是‘变’。”方鑫说，“引入太极理念后，我们设计的构型具有正极性和负极性，提供了一个很好的设计维度。”
在此基础上，该团队使用紧密耦合的周期齿轮和两个格子框架（前和后）将齿轮排列成简单的图案，外部形成两个弹性臂，其径向厚度随旋转角度θ平滑变化。在压缩载荷作用下，臂部的变形以弯曲为主。
“任何两个啮合齿轮的自转方向都是相反的。正面和背面太极图案的螺旋方向是相反的。因此，一对齿轮的啮合模式有两极。当图案的螺旋方向相反时，极性为正，反之则具有负极性。”方鑫说。
为了验证这一构想，团队采用投影显微立体光刻3D打印技术制作了5行6列的太极齿轮组成的集成微型超材料。太极齿轮的直径和齿厚分别为3.6毫米和235微米，最粗的臂为75微米。样品由杨氏模量为3.5GPa的光敏树脂制成。
“这种微型试件的等效模量Ey（θ）可以平滑地调整35倍（从8.3MPa到295MPa）。用金属材料制备的样品调节范围则可达到75倍。”方鑫说，这意味着即使是在微尺度上，基于齿轮的集成超材料也可以通过三维打印直接制造。这种集成制造的主要挑战是确保啮合齿不会融合在一起，但仍能有效地参与啮合。
旋转变速器行星齿轮即可“变身”
该团队设计的第一种超材料仅在压缩载荷下可调。“我们期望找到一种设计方法，使其压缩模量和拉伸模量均可调，同时保持结构完整性。”方鑫介绍，团队探索发现，这可以通过将行星齿轮系统组织为元胞来实现。团队使用行星齿轮簇创建了一个层次分明的超材料，其可调性来自元胞内齿轮的相对旋转。
“我们设计的行星齿轮超材料的变刚度来自每个行星齿轮内部。齿轮环产生弹性弯曲变形，其内部的行星齿轮是齿环变形的支点，通过旋转行星齿轮改变齿轮环的位置就可以改变它的变形刚度，从而对超材料参数进行调节。”方鑫说，对于组装的超材料，所有的太阳齿轮通过轴连接到传递转动的齿轮上，这些传动齿轮紧凑地耦合在一起。因此，只需要旋转其中的几个传动齿轮就可以实现对所有元素的重新配置和调节。
“有趣的是，我们设计的超材料可在很大的压缩力下保持稳定，并在剪切时显示出较大的刚度。支撑稳定性的因素之一是一种齿轮组的自锁机制，另一因素则是轮齿的咬合力。”方鑫表示。
该团队提出了几个可展示齿轮基超材料广泛应用潜力的场景。“对于机器人，可调刚度腿/执行器能够提供高刚度以在行走时稳定支撑重物，低刚度则在跳跃或跑步时提供减震保护。航空发动机挂架系统中需要类似的可调刚度隔离器，以在不同飞行阶段保持最佳性能和效率。”温激鸿表示。
“人们还可以通过使用锥齿轮、将平面齿轮组装成分层结构或合成不同类型的齿轮来设想3D超材料，利用集成制造将这些可调特性连接起来，以生产坚固的多用途设备。以微型超材料为例，高分辨率和大规模的3D打印，使基于齿轮的超材料进一步小型化和延伸成为可能。” 方鑫说。
《自然》审稿编辑认为，这种基于齿轮的力学超材料是使机器部件实现刚度可调的同时保持结构强稳定的可行途径，比如通过使机器人的结构变软或变硬来更好地适应跳跃和抓取物品等动作。https://t.cn/A6SEOJHs
相关研究作为8月封面文章https://t.cn/A6SEOJHF近日发表于《自然—材料》，并被《自然》评为今年6月全球重要科技进展（全球共4项）。
齿轮簇实现机械性能调节
近年来，智能材料广受关注，它是智能装备与结构设计的基础。材料弹性的调节对于智能机器、机器人、飞机和其他系统非常必要。然而，常规材料一旦制备，特性就几乎不能改变，部分材料在高温相变时才能呈现一定的调节性，但不具备工程实际可操作性。
“机械/力学超材料是具有超出常规材料力学性能的结构功能材料，为高性能装备设计提供了前沿技术支撑，但传统超材料设计方法依然无法实现稳定连续的参数控制，需要颠覆性设计思维才能突破该瓶颈。”该校智能科学学院振动与噪声控制研究团队带头人、论文共同通讯作者温激鸿表示。
“限制力学超材料实现智能化调节的根本原因在于传统超材料的设计都遵循同一种模式，即将梁、杆、板等单功能的承载基元用固定或屈曲结点连接构成确定性拓扑结构，这种模式下，当受到应力、热或电磁场的刺激时，超材料会因为屈曲或旋转铰链而发生重构，从而改变刚度，同时会造成塑性变形且变化不连续，调节过程十分困难。”论文第一作者兼共同通讯作者、研究团队副研究员方鑫说。
为解决这个难题，研究团队提出了基于多功能动态基元和易变—牢固耦合模式的智能可编程机械/力学超材料设计范式，设计了系列基于齿轮的智能超材料，突破了宏观与微观、金属基和复合材料基超材料的集成一体化制造和集成驱动技术，实现了金属基材料的大范围、连续、快速调节。
通俗地说，该团队设计了一个由齿轮制成的智能材料，它可以根据不同的“命令”，在齿轮旋转时，使坚固的材料变得更坚硬/更柔软或变形。
“这是一种前所未有的设计方法。”方鑫表示，可调性能够通过组装具有内置刚度梯度的元件实现。要实现机械性能可调但坚固的固体，需要确保在大作用力下的可调性和强耦合（可靠连接），同时避免在调整时发生塑性变形。“我们发现，这种可变而又强的耦合可以通过齿轮簇实现。”
方鑫透露，除了尝试以齿轮作为基元外，团队还尝试过很多其他构型，比如广泛关注的折纸构型、各类弹性屈曲构型、双稳态/多稳态构型，但都无法实现他们想要的这种调控特性。
为什么是齿轮簇？“可靠的齿轮啮合可以平稳地传递旋转和沉重的压缩载荷。”方鑫说，刚度梯度可以内置到单独的齿轮体中，也可以通过分层齿轮组件实现。齿轮组可以组装成单元组，而单元做恰当排列就可形成超材料。
从太极图中获取内部结构设计灵感
既然齿轮是可被利用的元件，那它的内部结构该如何设计？
超材料的可调性取决于其内置中空部分的形状。“想要实现可调但坚固的材料，需要确保在大作用力下的可调性和鲁棒可控性，同时避免调谐中塑性变形。”方鑫表示，在众多设计方案中，团队从太极图中获取灵感，最终设计了形似太极图的齿轮，其形状以螺旋方向为特征，可以提供平滑的变化和极性。
“太极图的灵感是从中国传统文化中获得的。当时我在用笔构思各种简单大气又有用的形状，脑子里突然闪现《易经》中‘两仪生四象，四象生八卦’这句话，随之就想起了太极图。因为太极的核心思想就是‘变化’，而我们想要的材料特性也是‘变’。”方鑫说，“引入太极理念后，我们设计的构型具有正极性和负极性，提供了一个很好的设计维度。”
在此基础上，该团队使用紧密耦合的周期齿轮和两个格子框架（前和后）将齿轮排列成简单的图案，外部形成两个弹性臂，其径向厚度随旋转角度θ平滑变化。在压缩载荷作用下，臂部的变形以弯曲为主。
“任何两个啮合齿轮的自转方向都是相反的。正面和背面太极图案的螺旋方向是相反的。因此，一对齿轮的啮合模式有两极。当图案的螺旋方向相反时，极性为正，反之则具有负极性。”方鑫说。
为了验证这一构想，团队采用投影显微立体光刻3D打印技术制作了5行6列的太极齿轮组成的集成微型超材料。太极齿轮的直径和齿厚分别为3.6毫米和235微米，最粗的臂为75微米。样品由杨氏模量为3.5GPa的光敏树脂制成。
“这种微型试件的等效模量Ey（θ）可以平滑地调整35倍（从8.3MPa到295MPa）。用金属材料制备的样品调节范围则可达到75倍。”方鑫说，这意味着即使是在微尺度上，基于齿轮的集成超材料也可以通过三维打印直接制造。这种集成制造的主要挑战是确保啮合齿不会融合在一起，但仍能有效地参与啮合。
旋转变速器行星齿轮即可“变身”
该团队设计的第一种超材料仅在压缩载荷下可调。“我们期望找到一种设计方法，使其压缩模量和拉伸模量均可调，同时保持结构完整性。”方鑫介绍，团队探索发现，这可以通过将行星齿轮系统组织为元胞来实现。团队使用行星齿轮簇创建了一个层次分明的超材料，其可调性来自元胞内齿轮的相对旋转。
“我们设计的行星齿轮超材料的变刚度来自每个行星齿轮内部。齿轮环产生弹性弯曲变形，其内部的行星齿轮是齿环变形的支点，通过旋转行星齿轮改变齿轮环的位置就可以改变它的变形刚度，从而对超材料参数进行调节。”方鑫说，对于组装的超材料，所有的太阳齿轮通过轴连接到传递转动的齿轮上，这些传动齿轮紧凑地耦合在一起。因此，只需要旋转其中的几个传动齿轮就可以实现对所有元素的重新配置和调节。
“有趣的是，我们设计的超材料可在很大的压缩力下保持稳定，并在剪切时显示出较大的刚度。支撑稳定性的因素之一是一种齿轮组的自锁机制，另一因素则是轮齿的咬合力。”方鑫表示。
该团队提出了几个可展示齿轮基超材料广泛应用潜力的场景。“对于机器人，可调刚度腿/执行器能够提供高刚度以在行走时稳定支撑重物，低刚度则在跳跃或跑步时提供减震保护。航空发动机挂架系统中需要类似的可调刚度隔离器，以在不同飞行阶段保持最佳性能和效率。”温激鸿表示。
“人们还可以通过使用锥齿轮、将平面齿轮组装成分层结构或合成不同类型的齿轮来设想3D超材料，利用集成制造将这些可调特性连接起来，以生产坚固的多用途设备。以微型超材料为例，高分辨率和大规模的3D打印，使基于齿轮的超材料进一步小型化和延伸成为可能。” 方鑫说。
《自然》审稿编辑认为，这种基于齿轮的力学超材料是使机器部件实现刚度可调的同时保持结构强稳定的可行途径，比如通过使机器人的结构变软或变硬来更好地适应跳跃和抓取物品等动作。https://t.cn/A6SEOJHs
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