【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
【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
综合布线是一种模块化的、灵活性极高的建筑物内或建筑群之间的信息传输通道。它既能使语音、数据、图像设备和交换设备与其它信息管理系统彼此相连，也能使这些设备与外部相连接。它还包括建筑物外部网络或电信线路的连接点与应用系统设备之间的所有线缆及相关的连接部件。综合布线系统由不同系列和规格的部件组成，其中包括：传输介质、相关连接硬件（如配线架、连接器、插座、插头、适配器）以及电气保护设备等。这些部件可用来构建各种子系统，它们都有各自的具体用途。
综合布线系统大致可以分为七个部分，分别是：工作区；配线子系统；干线子系统；建筑群子系统；设备间；进线间与管理。实际上布线工作中要遵循一定的规律，此规律不仅体现于结构化布线工程实施所要遵循的相关规范和标准，还需要符合在工程中摸索出来的许多经验和教训。综合布线作为已经成熟的行业，在经历了大量实践的基础上积累了许多可以借鉴的实用经验。布线过程管理混乱、工艺落后、技术陈旧，都会给施工单位本身带来工程质量、成本和进度上的不足。使用先进规范的施工操作规程是企业取得效益和立足市场的必由之路。
一、工程应用综合布线工程一般步骤
调研—方案设计—土建施工—技术安装—信息点测试—文档整理—维护。
（1）调研：主要任务是询问客户网络需求，现场勘察建筑，根据建筑平面图等资料去结算线材的用量，信息插座的数目和机柜定位、数量，做出综合布线调研报告；
（2）布线方案设计：根据前期勘察数据做出布线材料预算表、工程进度安排表；
（3）土建施工：协调施工队与业主进行职责商谈，提出布线许可，主要是钻孔、走线、信息插座定位、机柜定位、做线标识；
（4）技术安装：主要是打信息模块，打配线架、机柜内部安装；
（5）信息点测试：一般测试，采用12点测试仪，单人可以进行，效率较高，主要测试通断情况，可打印出详细的测试报告；
（6）文档管理：最终要提供交给客户的竣工报告（材料实际用量表、测试报告、楼层（楼群）配线表，为日后维护提供数据依据；（7）维护：当线路出现故障时，快速进行响应。
二、技术
1、PVC管槽施工过程时，一定要把线先划好，如果不预先画划好线直接施工很容易造成PVC走线不水平或垂直，虽然这样前期工作花时间较多，但方便以后PVC装钉。
2、打室外通到室内墙孔时，要注意先量好准确的位置，然后才分别从两边钻孔，先用小钻定位，再用中钻打通，再改大钻加大孔径，这样可避免打裂墙面。
3、拉线。这一环节十分重要，如果决策或测量有误，将造成不可挽回的损失。
4、打信息模块时，有一点非常要注意：由于特殊原因，打模块时外皮离模块大约要有1CM，因为这类模块较长，不照上面做的话，装好的模块那防尘板会难移动，失去弹性，所以都要这样做才能确保模块安装的合理。
三、经验
1、明确要求、方法
2、掌握环境资料
为了保护室内环境，室内要安装电缆槽，电缆放在电缆槽内，全部电缆进房间、穿楼层均需打电缆洞，全部走线都要横平竖直。
3、区分不同介质
保证通信介质性能，根据介质材料特点，提出不同施工要求。计算机网络系统的通信介质有许多种，不同通信介质的施工要求不同，具体如下：
双绞线
ａ．双绞线在走廊和室内走线应在电缆槽内，应平直走线；
ｂ．工作站到Hub的双绞线最长距离为100米，超过100米的可用双绞线连结器连结加长；
ｃ．双绞线在机房内走线要捆成线札，走线要有一定的规则，不可乱放；
ｄ．双绞线两端要标明编号，便于了解结点与Hub接口的对应关系；ｅ．双绞线应牢靠地插入Hub和工作站的网卡上；
ｆ．结点不用时，不必拔下双绞线，它不影响其它结点工作；
ｇ．双绞线一般不得安装在室外，少部分安装在室外时，安装在室外的部分应加装套管；
ｈ．选用八芯双绞线，自己安装接头时，八根线都应安装好，不要只安装四根线、剪断另外四根线。
4、设备安装
为保证网络安装的质量，网络设备的安装应遵循如下步骤：首先阅读设备手册和设备安装说明书。设备开箱要按装箱单进行清点，对设备外观进行检查，认真详细地做好记录。安装工作应从服务器开始，按说明书要求逐一接好电缆。逐台设备分别进行加电，做好自检。逐台设备分别联到服务器上，进行联机检查，出现问题应逐一解决。有故障的设备留在最后解决。安装系统软件，进行主系统的联调工作。安装各工作站软件，各工作站可正常上网工作。逐个解决遗留的所有问题。用户按操作规程可任意上机检查，熟悉网络系统的各种功能。试运行开始。
5、综合布线工程实施
先进行穿线组织策划，要组织好穿线关键在于施工组织者，施工组织者应：理解布线系统总体结构，不要穿错路线；能明确区分要敷设的各种电缆，不要用错电缆；熟悉电缆要经过的管路，有丰富的穿线经验；懂得预防典型的影响穿线质量和进度的问题；理解综合布线系统电缆敷设的特殊要求；思路清晰，把信息点分组，一组一组地敷设，不多穿，不漏穿；每组应不超过20个信息点，否则同时穿放的电缆量大，穿放费力容易导致电缆损伤，也容易缠绕、打结，非常影响进度；严谨地做标号，并记录长度刻度；严格地组织测试，用检测仪表逐条电缆测通断状况。
四、综合布线施工前准备
尽可能地找合作过，可靠的施工队穿线，施工组织者要头脑清楚，有责任感。对于初次合作的施工队，要派人紧盯。根据实际情况列出用人计划，凭用人计划向经理申请准备给穿线施工队的酬金。根据管槽完工时间和后续布线系统安装和装修封顶的时间要求，列出穿线进度计划和保证质量的措施。穿线前要严格进行穿线检查，具体要求参见相应的管槽检查要求，严重影响穿线质量和进度的管槽质量问题包括：管槽规格小；接口处有毛刺；埋地安装管槽阻塞、积水等；埋地管槽穿线前必须全面试穿。需准备的文档包括：布线系统系统图；布线系统平面图；穿线技术要求和空白穿线报告。
五、施工质量的保障措施
1、要做好设计阶段的详细图纸，图纸很重要。不要以为很简单，一张好的综合布线系统设计图纸可以节省你的布线时间和一些在综合布线系统的过程中遇到的现场问题，做过楼宇综合布线系统工程的都知道，大楼里不单只有弱电，还有强电、消防、空调等等。
2、施工过程中要做好施工计划，以应付不断的变化。
3、要及时了解整个工程的其他部分的进度情况，才能及时调整施工计划。
4、要严格要求施工人员。线路要工整、明朗。
5、要做好标签。
综合布线系统大致可以分为七个部分，分别是：工作区；配线子系统；干线子系统；建筑群子系统；设备间；进线间与管理。实际上布线工作中要遵循一定的规律，此规律不仅体现于结构化布线工程实施所要遵循的相关规范和标准，还需要符合在工程中摸索出来的许多经验和教训。综合布线作为已经成熟的行业，在经历了大量实践的基础上积累了许多可以借鉴的实用经验。布线过程管理混乱、工艺落后、技术陈旧，都会给施工单位本身带来工程质量、成本和进度上的不足。使用先进规范的施工操作规程是企业取得效益和立足市场的必由之路。
一、工程应用综合布线工程一般步骤
调研—方案设计—土建施工—技术安装—信息点测试—文档整理—维护。
（1）调研：主要任务是询问客户网络需求，现场勘察建筑，根据建筑平面图等资料去结算线材的用量，信息插座的数目和机柜定位、数量，做出综合布线调研报告；
（2）布线方案设计：根据前期勘察数据做出布线材料预算表、工程进度安排表；
（3）土建施工：协调施工队与业主进行职责商谈，提出布线许可，主要是钻孔、走线、信息插座定位、机柜定位、做线标识；
（4）技术安装：主要是打信息模块，打配线架、机柜内部安装；
（5）信息点测试：一般测试，采用12点测试仪，单人可以进行，效率较高，主要测试通断情况，可打印出详细的测试报告；
（6）文档管理：最终要提供交给客户的竣工报告（材料实际用量表、测试报告、楼层（楼群）配线表，为日后维护提供数据依据；（7）维护：当线路出现故障时，快速进行响应。
二、技术
1、PVC管槽施工过程时，一定要把线先划好，如果不预先画划好线直接施工很容易造成PVC走线不水平或垂直，虽然这样前期工作花时间较多，但方便以后PVC装钉。
2、打室外通到室内墙孔时，要注意先量好准确的位置，然后才分别从两边钻孔，先用小钻定位，再用中钻打通，再改大钻加大孔径，这样可避免打裂墙面。
3、拉线。这一环节十分重要，如果决策或测量有误，将造成不可挽回的损失。
4、打信息模块时，有一点非常要注意：由于特殊原因，打模块时外皮离模块大约要有1CM，因为这类模块较长，不照上面做的话，装好的模块那防尘板会难移动，失去弹性，所以都要这样做才能确保模块安装的合理。
三、经验
1、明确要求、方法
2、掌握环境资料
为了保护室内环境，室内要安装电缆槽，电缆放在电缆槽内，全部电缆进房间、穿楼层均需打电缆洞，全部走线都要横平竖直。
3、区分不同介质
保证通信介质性能，根据介质材料特点，提出不同施工要求。计算机网络系统的通信介质有许多种，不同通信介质的施工要求不同，具体如下：
双绞线
ａ．双绞线在走廊和室内走线应在电缆槽内，应平直走线；
ｂ．工作站到Hub的双绞线最长距离为100米，超过100米的可用双绞线连结器连结加长；
ｃ．双绞线在机房内走线要捆成线札，走线要有一定的规则，不可乱放；
ｄ．双绞线两端要标明编号，便于了解结点与Hub接口的对应关系；ｅ．双绞线应牢靠地插入Hub和工作站的网卡上；
ｆ．结点不用时，不必拔下双绞线，它不影响其它结点工作；
ｇ．双绞线一般不得安装在室外，少部分安装在室外时，安装在室外的部分应加装套管；
ｈ．选用八芯双绞线，自己安装接头时，八根线都应安装好，不要只安装四根线、剪断另外四根线。
4、设备安装
为保证网络安装的质量，网络设备的安装应遵循如下步骤：首先阅读设备手册和设备安装说明书。设备开箱要按装箱单进行清点，对设备外观进行检查，认真详细地做好记录。安装工作应从服务器开始，按说明书要求逐一接好电缆。逐台设备分别进行加电，做好自检。逐台设备分别联到服务器上，进行联机检查，出现问题应逐一解决。有故障的设备留在最后解决。安装系统软件，进行主系统的联调工作。安装各工作站软件，各工作站可正常上网工作。逐个解决遗留的所有问题。用户按操作规程可任意上机检查，熟悉网络系统的各种功能。试运行开始。
5、综合布线工程实施
先进行穿线组织策划，要组织好穿线关键在于施工组织者，施工组织者应：理解布线系统总体结构，不要穿错路线；能明确区分要敷设的各种电缆，不要用错电缆；熟悉电缆要经过的管路，有丰富的穿线经验；懂得预防典型的影响穿线质量和进度的问题；理解综合布线系统电缆敷设的特殊要求；思路清晰，把信息点分组，一组一组地敷设，不多穿，不漏穿；每组应不超过20个信息点，否则同时穿放的电缆量大，穿放费力容易导致电缆损伤，也容易缠绕、打结，非常影响进度；严谨地做标号，并记录长度刻度；严格地组织测试，用检测仪表逐条电缆测通断状况。
四、综合布线施工前准备
尽可能地找合作过，可靠的施工队穿线，施工组织者要头脑清楚，有责任感。对于初次合作的施工队，要派人紧盯。根据实际情况列出用人计划，凭用人计划向经理申请准备给穿线施工队的酬金。根据管槽完工时间和后续布线系统安装和装修封顶的时间要求，列出穿线进度计划和保证质量的措施。穿线前要严格进行穿线检查，具体要求参见相应的管槽检查要求，严重影响穿线质量和进度的管槽质量问题包括：管槽规格小；接口处有毛刺；埋地安装管槽阻塞、积水等；埋地管槽穿线前必须全面试穿。需准备的文档包括：布线系统系统图；布线系统平面图；穿线技术要求和空白穿线报告。
五、施工质量的保障措施
1、要做好设计阶段的详细图纸，图纸很重要。不要以为很简单，一张好的综合布线系统设计图纸可以节省你的布线时间和一些在综合布线系统的过程中遇到的现场问题，做过楼宇综合布线系统工程的都知道，大楼里不单只有弱电，还有强电、消防、空调等等。
2、施工过程中要做好施工计划，以应付不断的变化。
3、要及时了解整个工程的其他部分的进度情况，才能及时调整施工计划。
4、要严格要求施工人员。线路要工整、明朗。
5、要做好标签。
✋热门推荐