美国研究人员开发设计拉胀材料的新算法 以优化汽车防碰撞保护

盖世汽车讯 想象一下，拉动一块矩形橡胶的长端，它会变得更窄、更薄。但如果它变得更宽、更厚了呢？现在从相同的末端往里推，如果橡胶变得更窄、更薄会怎样呢？这种违背常识的材料确实存在，它们被称为拉胀材料，具有一系列独特的性质，非常适合制作运动鞋鞋垫、防弹建筑、汽车保险杠和服装。

（图片来源：美国国家标准与技术研究院）

尽管潜力巨大，但拉胀产品的上市速度缓慢，研究人员致力于改变这一现状。据外媒报道，美国国家标准与技术研究院（NIST）和芝加哥大学（The University of Chicago）的研究人员宣布开发出新工具，可以更轻松、更快速地设计具有拉胀特性的材料。该工具是一种算法，可以实现精确的三维拉胀材料设计。

NIST材料研究工程师Edwin Chan表示：“这对拉胀材料来说是一个巨大的进步。实际上研究人员可以优化材料，使其具有人们想要的各种特定机械性能。”

拉胀材料的行为可由泊松比（Poisson’s ratio）进行部分描述，即当受到单向拉伸或挤压时材料会如何改变形状。大多数材料的泊松比为正，这意味着从一个方向上进行挤压，它们会在另一个方向上变宽和/或变厚，而拉伸会使它们变窄和/或变薄。

拉胀材料的泊松比为负值，其作用恰恰相反。冲压非拉胀材料时，材料会变薄并横向扩展。而冲压拉胀材料时，材料会聚拢并变窄。在适当的情况下，这可以提供更大的抗冲击能力。

例如，当击打一个装满水的袋子（比如人们徒步旅行时带的袋子），里面的水可能会从冲击点流走。但是，如果击打的袋子里面满是拉胀泡沫，那么这些材料会变得更致密、更坚硬。

这是考虑在建筑物和汽车中使用拉胀材料的原因之一。它们可能提供更好的防爆炸和防碰撞保护。在运动鞋鞋垫中，拉胀胶或橡胶泡沫有望在脚部接触地面时提供更好的缓冲。

在服装方面，拉胀尼龙、纤维和其他合成材料可能比传统材料更舒适。由于它们在拉伸时会变宽，因此可以更有效地将压力分散到身体各处，从而潜在减轻背部、关节、颈部或肩部的压力。

由NIST和芝加哥大学研究人员开发的设计工具是一种“逆向设计”算法，这意味着用户可以输入他们想要的拉胀材料泊松比值，然后该算法会提出材料优化结构。另外，泊松比还描述了当其中一个发生变化时形状和体积之间的关系。新算法可以微调这种关系，以创建具有在自然界中找不到的行为方式的拉胀材料。

研究人员为该算法、基础方法和使用3D打印来实现相关材料申请了专利。NIST材料研究工程师Marcos Reyes-Martinez表示：“这项研究是理论、实验和计算科学协同实现新事物的完美范例。找到一种改良拉胀材料的方法，将使它们在日常生活中变得更加普遍。”