哈佛科學(xué)家開發(fā)重構(gòu)軟件,用于3D打印超材料的設(shè)計
超材料是指材料的設(shè)計表現(xiàn)出不同尋常的特性，是具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料。 迄今發(fā)展出的“超材料”包括：”左手材料”、”光子晶體”、”超磁性材料”等。
哈佛John A.保爾森工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院和哈佛Wyss威斯生物啟發(fā)工程研究所的研究人員在哈佛大學(xué)通過多材料3D打印技術(shù)開發(fā)出可重構(gòu)超材料的基礎(chǔ)設(shè)計框架軟件。
超材料不同尋常的特性主要依賴于獨特的機械結(jié)構(gòu)，而這些特定的結(jié)構(gòu)通常是通過在材料的關(guān)鍵物理尺度上的結(jié)構(gòu)有序設(shè)計，可以突破某些表觀自然規(guī)律的限制。
哈佛的研究人員嘗試通過建立一個基礎(chǔ)設(shè)計框架，從而實現(xiàn)幾何形狀和幾個功能之間切換，他們的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)發(fā)表在自然雜志上。因為這個基礎(chǔ)設(shè)計框架并不限制打印尺寸，可以從米級到納米尺度的應(yīng)用，從減震建筑材料升級到光子晶體的超材料結(jié)構(gòu)。
哈佛大學(xué)Katia Bertoldi教授認為在可重構(gòu)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，設(shè)計空間是非常大的，所以面臨的挑戰(zhàn)是要想出聰明的策略來研究它，通過與設(shè)計師和數(shù)學(xué)家的合作，哈佛找到了一種方法來概括這些規(guī)則，并迅速產(chǎn)生了許多有趣的設(shè)計。
Wyss威斯工程研究所的科學(xué)家很快就意識到，隨著多面體立體圖形組件（通常）超過六面可作為設(shè)計單元，可用于擠壓、重構(gòu)一個模板，或者用于薄壁結(jié)構(gòu)。結(jié)合設(shè)計和計算建模，他們能夠創(chuàng)建一些不同的組合，以及一個用于快速、準確地建立類似材料的藍圖。
這個框架就像一個軟件工具包，智能構(gòu)建可重構(gòu)的材料。基于計算模型，哈佛大學(xué)的研究人員能夠量化材料彎曲的各種不同的方式，并計算這樣的運動會如何影響像剛度這樣的特性。他們現(xiàn)在可以使用他們的數(shù)字框架快速循環(huán)幾百萬種不同的圖案，讓電腦通過理想的屬性設(shè)置給定一個恰當?shù)脑O(shè)計。一旦一個給定的設(shè)計被選中，科學(xué)家們能夠使用多材料3D打印機以及激光切割紙板、雙面膠帶等材料組合來創(chuàng)造超材料的原型。
根據(jù)研究人員，這個軟件工具包為開發(fā)超材料能結(jié)構(gòu)和航空航天工程師、材料科學(xué)家、物理學(xué)家、機械工程師、生物醫(yī)學(xué)工程師、設(shè)計師和建筑師是有用的。國內(nèi)在超材料方面也涌現(xiàn)出積極的研究，根據(jù)中國3D打印網(wǎng)的市場研究，活躍的科研單位有東南大學(xué)，中國人民解放軍空軍工程大學(xué)，西安交通大學(xué)，北京交通大學(xué)等。
東南大學(xué)通過3D打印一種自相似的空間折疊結(jié)構(gòu)的分形聲學(xué)超材料，用于寬帶聲聚焦透鏡；
中國人民解放軍空軍工程大學(xué)開發(fā)了基于水或水溶液的超材料頻率選擇表面的設(shè)計方法，利用3D打印技術(shù)將低介電常數(shù)材料打印成特殊形狀，使其能對特定尺寸與特定形狀的水進行封裝；
西安交通大學(xué)使用液態(tài)光敏樹脂和固體微粒作為打印原料進行目標超材料實體進行3D打印，3D科學(xué)谷了解到其中液態(tài)光敏樹脂作為超材料基材的原材料，固體微粒作為人造微結(jié)構(gòu)，最終形成固態(tài)光敏樹脂為基材并包裹具有二維空間拓撲排序人造微結(jié)構(gòu)的超材料；
北京交通大學(xué)通過3D打印技術(shù)制備太赫茲波導(dǎo)預(yù)制棒，按照波導(dǎo)立體結(jié)構(gòu)逐片打印以形成太赫茲波導(dǎo)預(yù)制棒進而拉制成太赫茲波，簡化了制作工藝，降低了帶有銳角微結(jié)構(gòu)復(fù)雜橫截面且縱向可變的太赫茲波導(dǎo)預(yù)制棒的制作成本，為后續(xù)拉制出具有優(yōu)越傳輸性能的太赫茲波導(dǎo)，提供了很好的基礎(chǔ)。
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