中國教育報-中國教育新聞網(wǎng)訊（記者 程墨 通訊員 焦思勤）近日，中國地質(zhì)大學（武漢）珠寶學院“寶石礦物材料與設計智造”研究生導學團隊在國際知名期刊《材料與設計》上發(fā)表重要研究成果，并入選當期封面。論文《具有可調(diào)機械響應的三維手性負泊松比結(jié)構的設計原理及旋轉(zhuǎn)變形力學機制研究》，展示了三維手性負泊松比結(jié)構及其在穿戴防護領域的應用。

隨著智能手表、健康手環(huán)等可穿戴設備的普及，人們對穿戴材料的輕量化、高韌性和人體貼合性提出了更高要求。負泊松比材料正是一種“反常識”材料：縱向拉伸時橫向膨脹，縱向壓縮時橫向收縮，展現(xiàn)出獨特的力學行為，適用于復雜曲面貼合與能量吸收等場景。然而，傳統(tǒng)三維負泊松比結(jié)構存在制造難度大、性能調(diào)控困難等問題。

針對上述挑戰(zhàn)，研究團隊通過優(yōu)化原有結(jié)構變形的機制，實現(xiàn)了機械性能的可控調(diào)節(jié)，創(chuàng)新設計三維手性負泊松比結(jié)構，為柔性可穿戴提供了新的解決方案。本研究基于二維交錯肋架構，設計出三維手性負泊松比結(jié)構：交錯肋結(jié)構（F-NPR）、曲面優(yōu)化結(jié)構（W-NPR）和節(jié)點優(yōu)化結(jié)構（N-NPR），并采用數(shù)字光處理技術DLP（Digital Light Processing, DLP）實現(xiàn)高精度制造，打通了從數(shù)字模型到實際產(chǎn)品的關鍵環(huán)節(jié)。

結(jié)果表明，N-NPR結(jié)構展現(xiàn)出優(yōu)異的可成形性，尤其適用于成形精度較高的數(shù)字光處理增材制造工藝。

通過有限元模擬與實驗驗證，研究系統(tǒng)探討了桿徑尺寸與單元尺寸對其結(jié)構力學性能的影響。結(jié)果表明，通過調(diào)節(jié)體積分數(shù)，可精準調(diào)控該結(jié)構的壓縮/拉伸強度、泊松比及能量吸收能力。該結(jié)構在壓縮與拉伸過程中均表現(xiàn)出顯著的負泊松比效應，并在壓縮載荷下呈現(xiàn)出獨特的兩段式旋轉(zhuǎn)—扭轉(zhuǎn)變形機制，極大拓展了材料設計的自由度。

研究中提出的N-NPR結(jié)構具備可控的變形能力與優(yōu)異的能量吸收特性，因而在抗沖擊、穿戴舒適度及貼合度等方面表現(xiàn)突出。該結(jié)構不僅適用于智能穿戴設備，也為航空航天、生物醫(yī)療等領域帶來新的設計思路。未來，團隊將進一步引入人工智能，開發(fā)更舒適、功能更集成的柔性可穿戴設備。