科大研究團隊打破柔性複合材料的力學對稱性 開創機械智能新方向

由香港科技大學（科大）機械及航空航天工程學系胡文琪教授與物理系許欽教授聯合領導的研究團隊，近日在柔性複合材料領域取得重大突破，研發出一種具高度可編程性且具非對稱力學響應的新型柔性複合材料系統。團隊成功將「剪切─堵塞」相變機制融入高分子聚合物基體，為實現機械智能系統提供了關鍵的材料基礎，邁出了發展新一代智能材料與裝置的重要一步。

在軟體機器人、仿生組織及柔性電子等前沿工程領域中，能夠對外部刺激作出特異性響應的材料，是實現智能功能的關鍵。然而，傳統設計多依賴具有非線性結構或複雜幾何構造的超材料，這些離散結構往往對缺陷和斷裂極為敏感，限制了其工程實用性。有別於傳統方式，許教授和胡教授的研究提出了一種全新設計範式，利用「剪切─堵塞」相變物理機制發展出柔性複合材料，展現出獨特的科學優勢與工程潛力。

這項研究的主要科學與工程突破包括：

•    多維度方向控制：研究團隊製備的柔性複合體在剪切與法向兩個方向上同時展現出非互易性力學行為，實現對不同加載路徑的方向的靈敏響應，並且具備非對稱材料形狀記憶特性，可進行多維度方向控制。
•    可編程且高韌：有別於傳統脆弱的剛性超材料，柔性複合材料不僅具有高度可編程的力學特性，同時具備出色的抗斷裂能力，展現出高韌性。透過調控其內在的「剪切─堵塞」相變過程，可以精確控制材料性質，從而自主製訂所需力學響應，以滿足不同應用需求。
•    活性智能新材料：研究團隊進一步將「剪切─堵塞」結構與空間調變的磁性分布相結合，創造出能自主運動的「軟體活性固體」。這種活性智能新材料可用作仿生軟體機器人，在狹小環境中靈活移動；也可以作為智能閥門，在微流控系統中實現選擇性流控。

從科學角度而言，該研究創新地結合顆粒物理學與高分子材料科學，建立了具有非互易力學性質的新型軟物質體系；在工程應用方面，研究團隊為製備各類具有方向特異性響應的柔性複合材料提供了一種既高效且通用的設計策略，此研究不僅為實現機械智能奠定了基礎，更為新一代智能及節能材料的開發開闢了全新途徑。

這項跨學科研究由科大機械及航空航天工程學系和物理系的研究人員共同領導，並於《自然．材料》（Nature Materials）期刊發表。科大物理系博士生徐暢為論文的第一作者。該研究獲香港研究資助局和科大海洋機器人及藍色經濟技術基金資助。

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（原文由香港科技大學環球事務及傳訊處在此發布。）