用于可编程三维织造超材料的设计框架

由微小织构构成的可拉伸材料

想象一种像海绵一样轻盈通透的材料，同时又强韧、可大幅拉伸，并且在我们预先设定的方式下失效。本文展示了工程师如何通过将微观纤维编织成复杂的三维图案来设计此类材料，为柔性电子、软体机器人以及兼容组织的医疗植入物等应用开辟了新可能。

从刚性支架到柔软可编程网络

多年来，研究人员通过将实心梁和板按重复的三维图案排列来制造“机械超材料”。这些结构对于其自重而言可以极其刚性和坚固，但它们不善于拉伸：拉得过远就会断裂。作者提出，同样重要的目标是制造高度柔顺的材料——能够在不破断的情况下显著弯曲和伸长——因为这种行为对于需要随身体、缓冲物或机械弯曲的应用至关重要。

在三维中编织纤维

该团队不依赖于在刚性节点相交的直梁，而是关注织造晶格：由纤细纤维构成的网络，这些纤维在平滑的连接处弯曲、扭转并相互缠绕。在纤维交叉处，不会形成尖锐的拐角；它们缓和地弯曲并可相对滑动，这降低了应力集中并允许大变形，类似于麻绳的结构。迄今为止，设计这些结构在很大程度上仍是计算机辅助设计软件中的手工艺术，局限于少数重复图样。作者引入了一种系统化的步骤：从任何传统的梁状晶格出发，使用记录梁如何连接的数学“图”将其转换为织造版本。原结构中的每根梁都被一束相互缠绕的螺旋纤维所取代，特殊的扭结节点确保纤维在整个三维网络中平滑连接。

调节刚度、方向性与伸长性

该框架将复杂几何归结为每根梁仅两个关键旋钮：螺旋的有效半径（纤维从中心向外盘绕的距离）和在梁长上盘绕的圈数。通过调整这两个参数，设计者可以控制纤维的密集程度、相互咬合的强度以及单根纤维在晶格中经过的路径长度。计算机模拟显示，采用相同的基础图案可以调节为相对刚硬或非常柔软，并且只需改变这些纤维参数就能实现强烈的各向异性——在一个方向上坚固而在另一个方向上柔软。由于该方法作用于单根梁和单元格层面，构造出性质在空间上平滑变化的晶格变得容易，从而创建功能梯度材料，在特定区域精确地弯曲、拉伸或承受载荷。

对微观织构结构的实验

为验证预测，团队使用高分辨率三维打印制造了微小样品，单元格宽度约为一根人类发丝，纤维仅一微米粗。在电子显微镜下，他们在拉伸这些晶格的同时记录形状并测量作用力。结果发现，增大螺旋半径通常会使材料更柔软但更易拉伸，而改变纤维圈数会改变材料失效的渐进性。有些设计表现出脆性行为，载荷突然下降；另一些则呈现更温和、类似延展性的失效，在断裂前经历长时间的伸长。在所有情况下，织造晶格能够拉伸到原始长度的二到四倍——远超类似非织造结构通常能承受的范围。

揭示纤维运动和断裂机制的模拟

由于直接模拟这些织造网络的每个微小细节会非常耗费计算资源，作者开发了一种更高效的计算模型，将每根纤维视为可弯曲、可扭转并能与邻近纤维发生摩擦滑动的柔性梁。该简化模型与高保真模拟和实际实验均高度一致，但运行速度快数千倍。它揭示了纤维在受力下先被拉直，然后在节点处形成紧密缠结，接触压力和弯曲在这些区域集中。这些热点决定了晶格如何承载载荷、耗散能量并最终断裂，为工程师通过重排纤维路径来调整性能提供了明确的目标。

用应变“书写”并引导断裂位置

由于该方法允许设计者在单元格之间改变纤维参数，作者展示了引人注目的“可编程”变形与断裂示例。在一个案例中，平坦的织物板被设计成在拉伸时某些区域比其他区域伸长更多，从而显现出“MIT”字样。另一个例子是在本来较强的板中嵌入一条弱单元的正弦路径，使材料沿预先设计的曲线撕裂。这些示例表明，织造超材料不仅可以为整体刚度或可拉伸性而设计，还可以精确控制其弯曲位置和断裂方式，从而在防护装备到生物医学设备等应用中实现更安全、更可预测的行为。

这为何重要

对非专业读者而言，核心信息在于作者将复杂的编织问题转化为一个简单、可编程的设计工具包。通过仅用几个几何旋钮来描述三维织造晶格，并通过实验与模拟验证，它们开辟了一类新材料：既轻又高度可拉伸，且在变形与断裂方式上可定制。这最终可能催生既柔软又坚韧的结构，能够适应环境——这些材料不仅被动承载载荷，而是可以被精心设计以特定方式运动、保护甚至按预定方式失效。

引用: Carton, M., Surjadi, J.U., Aymon, B.F.G. et al. Design framework for programmable three-dimensional woven metamaterials. Nat Commun 17, 1581 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68298-3

关键词: 机械超材料, 三维织造晶格, 可拉伸材料, 结构材料, 材料设计工具包