格拉斯哥大学与意大利科研团队联合开发出一种全新的3D打印自适应扭曲吸能金属材料。这种基于陀螺体（Gyroid）结构的超材料在受到撞击时能自动扭转并调节吸能强度，为汽车防撞和航空安全带来突破性进展。无需电子或液压系统即可实现机械自适应，兼具高强度与轻量化特性。研究成果发表于《Advanced Materials》，为未来车辆安全、能量吸收与结构减震提供新思路。
扭转吸能：格拉斯哥大学与意大利研究团队打造用于车辆安全的3D打印材料
来自格拉斯哥大学（University of Glasgow）的研究人员，与意大利的马尔凯理工大学（Polytechnic University of Marche）、**拉奎拉大学（University of L’Aquila）以及意大利国家核物理研究所（INFN, National Institute for Nuclear Physics）**合作，开发出一种可在撞击下发生扭转的3D打印材料，为车辆的自适应防撞保护带来了新的潜力。
格拉斯哥大学詹姆斯·瓦特工程学院（James Watt School of Engineering）的Shanmugam Kumar教授领导了这项研究。他表示：“如今大多数车辆使用的防护材料都是静态的，针对特定的撞击情境设计，无法适应不同的冲击条件。本研究提出了一种新的自适应扭转超材料（adaptive twisting metamaterials），它不需要复杂的电子或液压系统即可实现自适应调节。相反，它们仅通过机械方式的旋转控制即可完成。当我们施加压缩力时，陀螺体晶格结构会将这种压力转化为扭转，通过改变边界条件，我们可以调整其能量吸收特性。这些材料能够根据撞击的类型和严重程度自行改变特性，从而缓解冲击效果。”
自适应扭转设计
这项研究发表于《Advanced Materials（先进材料）》期刊，论文题为《Adaptive Twisting Metamaterials（自适应扭转超材料）》。该研究采用了一种独特的陀螺体晶格（gyroid lattice）结构。与传统泡沫或溃缩区（crumple zones）那种提供固定阻力的设计不同，这种材料可以机械地调节其对不同冲击类型的响应。它可以被调校为在严重碰撞时提供更高的刚性阻力，或在轻微撞击时提供更柔和的缓冲。
这种材料由钢制成，采用增材制造（AM，Additive Manufacturing）工艺，使研究人员能够精确控制材料复杂且高度多孔的晶格结构。当受到压缩时，陀螺体结构会以类似螺旋状的运动发生扭转，从而耗散撞击能量。
实验与计算机模拟比较
下图展示了自适应扭转超材料的实验与计算机模拟结果对比。
（图片来源：格拉斯哥大学）
研究人员在实验室中测试了三种不同配置的材料，分别在快速冲击和逐步增加的应变条件下进行考察。当材料被限制扭转时，其刚度达到最大值，并吸收了每克15.36焦耳的能量。
当允许其自由扭转时，刚度和能量吸收下降了约10%；而在过度扭转的情况下，能量吸收能力下降了33%。这些结果表明，该材料能够在刚性防护与柔性缓冲之间提供可调节的保护范围。
实验结果得到了理论和计算模型的支持，这些模型可预测扭转陀螺体晶格在不同应变速率下的行为。此外，研究人员使用**微型CT扫描（micro-CT scans）**量化了3D打印过程中的几何缺陷，以确保模拟结果与实验结果精确匹配。
Kumar教授表示：“我们相信这种材料未来可在汽车和航空航天安全领域得到应用，成为一种能够根据需求自适应调整的全新材料类型。它还可能支持能量收集领域的发展，通过将冲击能转化为旋转动能实现新型能量收集方式。”
3D打印晶格材料的进一步研究
除了车辆安全领域，类似的3D打印晶格结构也正在其他领域被开发，用于增强刚度、提高能量吸收能力以及改善振动控制性能。
在澳大利亚皇家墨尔本理工大学（RMIT University），研究人员受深海海绵“维纳斯花篮（Venus’ flower basket）”启发，创造出一种仿生的双晶格结构（double-lattice structure）。这种晶格相比传统的负泊松比（auxetic）材料，刚度提升13倍，能量吸收提升10%，并在更大60%的应变范围内保持负泊松特性。
根据发表在《Composite Structures（复合结构）》期刊的论文，潜在应用包括建筑、个人防护装备以及医疗植入物。论文第一作者**马佳明博士（Dr. Jiaming Ma）**解释道：“本研究通过开发双晶格结构，优化了载荷分布与变形抗性，从而克服了传统结构在高应变下性能退化的局限。”
（图：RMIT大学Mike Xie教授与马佳明博士展示团队3D打印的双晶格结构模型。来源：RMIT University）
另一项由苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的Chiara Daraio教授领导的研究团队开发出一种刚性塑料晶格结构，内部嵌入钢立方体，可在承重的同时吸收振动。
这些钢立方体充当共振器，阻止振动在结构中传播，使其适用于航天器、涡轮转子以及火箭等高要求环境。
该团队博士后研究员Kathryn Matlack解释说：“振动不会传播整个结构，而是被钢立方体和内部的塑料网格杆所捕获，因此结构的另一端不会产生位移。”
结语
从格拉斯哥大学的自适应扭转金属材料，到RMIT的仿生双晶格，再到ETH Zurich的振动吸收结构，这些研究共同展现了3D打印晶格超材料在能量吸收、结构防护与智能响应领域的巨大潜力。
随着增材制造技术的精细化与材料科学的融合，这类“会思考的材料”正逐步走向现实，为汽车、航空、建筑甚至可穿戴设备带来全新的安全与性能革新。
