27、负泊松比材料的可调刚度研究与测试

负泊松比材料的可调刚度研究与测试

1. 材料特性与研究背景

一些材料展现出有趣的特性，如重量轻、抗凹痕、抗冲击、抗剪切，并且与传统材料相比，具有更好的能量吸收能力。此前在纯拉胀材料领域已有相关研究，但更多侧重于理论建模，对其在可变刚度设备领域的实际应用探索较少。本研究旨在利用连续管状拉胀材料开发一种刚度调节框架。

为验证概念，采用常见且低成本的工艺来制造这些材料，以提高制造速度和经济可行性。选用可通过简单3D打印制造的结构，以及剪纸和折纸折叠结构作为简单、快速且低成本的制造方法，同时需满足以下设计要求：
- 几何约束：最大外径为10 - 12mm。
- 与肌腱驱动致动方法兼容。
- 无需温度调节即可实现从柔性到刚性的转变，反之亦然。

2. 同心连续超结构

主要设想是利用拉胀材料的膨胀特性来改变管状手术设备的刚度。与层间或空间挤压不同，拉胀材料在拉伸时会膨胀，这比使用真空更具优势，因为无需密封，而密封通常是挤压方法面临的最大挑战之一。

通过限制拉胀材料的膨胀空间，由于拉胀材料与限制材料之间的接触力，可实现挤压。设计了一个两层管状系统，外层尺寸固定且为半刚性（仅允许弯曲），内层由拉胀材料制成，拉伸时会膨胀。由于空间受限，内层管会与外层管挤压，产生摩擦力以抵抗进一步的运动。

为进一步提高表面的挤压程度，采用拉胀管材料与正常正泊松比（PPR）材料相结合的方式。内层拉胀管直径为11mm，外层管直径为12mm，两者紧密配合，间隙为1mm。当对PPR和负泊松比（NPR）材料施加相同拉力时，NPR材料会膨胀，PPR材料会收缩，直至间隙被填满。继续施加拉力，会发生挤压，管间的摩擦力会抵抗弯曲力，使结构变硬