顛覆認知！科研人員開發(fā)出了拉伸時會縮小的神奇3D打印結(jié)構(gòu)

3D打印不僅正在革新制造方式，更在推動基礎(chǔ)科學(xué)原理的實驗驗證。

2025年4月30日，南極熊獲悉，來自荷蘭的AMOLF研究所與ARCNL（阿姆斯特丹先進納米光刻研究中心）的研究人員聯(lián)合在《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）發(fā)表了一篇引人關(guān)注的論文，題為《Exotic mechanical properties enabled by countersnappinginstabilities（對抗不穩(wěn)定性帶來的奇異機械特性）》。他們在實驗中借助3D打印翻模技術(shù)制造柔性硅膠構(gòu)件，成功構(gòu)建出一種看似違反直覺的力學(xué)結(jié)構(gòu)：單個部件在拉伸時會正常變長，但當多個這樣的部件以特定方式連接后，整個系統(tǒng)反而會在拉伸時發(fā)生“突然收縮”。

論文鏈接：https://doi.org/10.1073/pnas.2423301122

這一令人驚訝的“反向咬合”（countersnapping）現(xiàn)象，不僅挑戰(zhàn)了人們對力-位移關(guān)系的傳統(tǒng)認知，還揭示了3D打印技術(shù)在實驗力學(xué)、智能結(jié)構(gòu)和機械超材料設(shè)計中的巨大潛力。南極熊注意到，該研究團隊在構(gòu)建這些反常行為結(jié)構(gòu)的過程中，采用了PolyJet 3D打印技術(shù)制作模具，并以高彈性硅膠材料進行翻模成型，展示了3D打印在非線性材料與復(fù)雜幾何驗證方面的關(guān)鍵作用。

從不穩(wěn)定性到功能性：捕捉“反向咬合”現(xiàn)象

在自然界與工程結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性常常被視為不可控的破壞源，如雨傘在大風(fēng)中翻轉(zhuǎn)、柱體屈曲等。然而近年來，材料科學(xué)家和機械工程師越來越多地意識到，這些非線性行為其實蘊含著可編程的潛力，特別是在可變剛度結(jié)構(gòu)、軟體機器人、能量吸收材料等領(lǐng)域，正在形成一股“利用不穩(wěn)定性”的研究浪潮。

此次由AMOLF與ARCNL團隊提出的“反向咬合”現(xiàn)象，正是在此背景下誕生。與傳統(tǒng)的“咬合不穩(wěn)定”不同——后者表現(xiàn)為拉伸下的突發(fā)延伸、壓縮下的突發(fā)收縮——反向咬合是一種違反直覺的響應(yīng)方式：系統(tǒng)在外力拉伸增強時，反而突然發(fā)生縮短。這一反常行為不僅首次在實驗中被清晰實現(xiàn)和觀察，更被系統(tǒng)性地量化為力-位移曲線中清晰的自相交特征，具有深遠的理論和應(yīng)用價值。

△組合非線性力學(xué)構(gòu)件實現(xiàn)反向卡扣不穩(wěn)定性

△反向扣合行為的實驗觀察

構(gòu)建“反常”力學(xué)的背后：3D打印+軟體硅膠材料

南極熊了解到，為了實現(xiàn)這一高度精密的力學(xué)結(jié)構(gòu)，研究團隊采用了一套“3D打印翻模+多元模塊組裝”的工藝路線。

首先，他們基于非線性彈性理論設(shè)計出三類構(gòu)建塊：軟化型、硬化型和非單調(diào)型彈性單元。這些構(gòu)件分別具備特定的力-位移響應(yīng)特征，核心結(jié)構(gòu)包括V形彎曲梁、菱形折疊梁等，均以幾何非線性變形為基礎(chǔ)。

隨后，研究人員利用Stratasys Eden260VS PolyJet打印機打印出高分辨率的透明模具，并將高柔性硅膠材料Smooth-Sil 945注入模具中固化，從而制得高一致性的彈性構(gòu)件。這些構(gòu)件最終被裝配成5單元彈簧網(wǎng)絡(luò)，通過3D打印制作的連接件進行組裝，構(gòu)成整個“反向咬合結(jié)構(gòu)”。

這種方式充分體現(xiàn)了3D打印在自由形態(tài)、微結(jié)構(gòu)控制與模具制造方面的優(yōu)勢，為探索復(fù)雜力學(xué)現(xiàn)象提供了實驗基礎(chǔ)。

實驗驗證：“被拉伸時縮短”的真實物理表現(xiàn)

研究團隊通過三類實驗裝置，系統(tǒng)性觀察并驗證了“反向咬合”現(xiàn)象：

1.       位移控制實驗：通過拉伸平臺緩慢拉伸結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)當拉伸超過臨界值時，系統(tǒng)突然收縮，同時反作用力迅速躍升。該現(xiàn)象在力-位移曲線中表現(xiàn)為典型的“自交型突變”特征，驗證了反咬合的存在。

2.       力控制實驗：通過向懸掛裝置中緩慢注水加載，結(jié)構(gòu)在某一瞬間突然縮短，導(dǎo)致懸掛質(zhì)量“被彈起”，從而間接證明結(jié)構(gòu)內(nèi)部的力學(xué)耦合發(fā)生突變。

3.       混合驅(qū)動實驗：在復(fù)合加載條件下，結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出“從靜止中突然躍起”的響應(yīng)，這一行為顯示出反向咬合機制具有方向一致、增量驅(qū)動特性，可用于機械邏輯或軟體機器人的執(zhí)行結(jié)構(gòu)中。

延伸應(yīng)用：粘滑運動、可編程剛度與振動抑制

值得注意的是，研究團隊不僅實現(xiàn)了反常結(jié)構(gòu)的設(shè)計與驗證，更探索了其在功能材料領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。例如：

1.       單向粘滑驅(qū)動：相比普通卡扣結(jié)構(gòu)在來回拉伸中抵消位移，反向咬合結(jié)構(gòu)在一個周期內(nèi)會發(fā)生兩次相同方向的形變，使得系統(tǒng)可在無反饋控制的前提下實現(xiàn)方向一致的增量位移，有望應(yīng)用于軟體機器人微步推進器或微位移執(zhí)行器。

2.       可編程剛度切換：通過控制結(jié)構(gòu)狀態(tài)切換，系統(tǒng)在相同受力與位移條件下可實現(xiàn)不同剛度的調(diào)節(jié)，這種“狀態(tài)不變而性能切換”的能力，為可調(diào)諧濾波器、被動減震器等器件提供了新思路。

3.       共振自避與智能材料：反向咬合結(jié)構(gòu)可以在共振激發(fā)下“自動跳轉(zhuǎn)”至非共振狀態(tài)，從而實現(xiàn)系統(tǒng)在高振動環(huán)境中的自適應(yīng)保護功能。這種機制對于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、航天結(jié)構(gòu)抗振動設(shè)計具有實際意義。

△單向粘滑行為的實驗觀察

△演示可編程和自切換剛度的實驗。

△實驗觀察到的反向扣合超材料的集體行為

機械超材料新方向：從單元到陣列的響應(yīng)進化

更進一步，南極熊注意到，研究人員還設(shè)計并測試了由多個反咬合單元組成的并聯(lián)或串聯(lián)超材料結(jié)構(gòu)。在并聯(lián)配置中，不同單元可按設(shè)計順序依次響應(yīng)，構(gòu)成可編程變剛度材料；在串聯(lián)配置中，結(jié)構(gòu)會因單元觸發(fā)而產(chǎn)生“雪崩式響應(yīng)”，實現(xiàn)全局狀態(tài)突變與集體切換。

△串聯(lián)反向扣合元件中的雪崩轉(zhuǎn)變

這類基于反向咬合單元的超材料，不僅提升了力學(xué)性能的多樣性，還為構(gòu)建機械邏輯器件、彈性計算系統(tǒng)奠定了新思路。

南極熊觀察：3D打印賦能力學(xué)探索的邊界

通過本次研究成果可以看出，3D打印不僅是工業(yè)制造工具，更是基礎(chǔ)科學(xué)實驗和力學(xué)理論驗證的重要平臺。無論是高精度模具、復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計，還是材料快速成型、參數(shù)迭代優(yōu)化，增材制造在探索物理邊界與構(gòu)建未來智能結(jié)構(gòu)方面發(fā)揮著不可替代的作用。

研究團隊在結(jié)構(gòu)中所用的所有構(gòu)件，都是以3D打印為“核心平臺”，再借助硅膠等柔性材料進行功能實現(xiàn)。這種跨界融合的實驗范式，將有助于推動結(jié)構(gòu)力學(xué)—材料科學(xué)—智能系統(tǒng)的深度融合。

未來，類似“反向咬合”這樣的非線性行為，或許將在可穿戴設(shè)備、自適應(yīng)建筑、太空展開結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域獲得實際應(yīng)用，而3D打印無疑將繼續(xù)作為探索“材料功能性與幾何邏輯”的關(guān)鍵橋梁。