威斯康星大学发明全新框架 使科学家能够优化各种减震泡沫

盖世汽车讯 据外媒报道，威斯康星大学麦迪逊分校（University of Wisconsin-Madison）的机械工程师们开发出一套全面的框架，旨在加速减震泡沫材料的改进。这些材料用途广泛，从运动或军用头盔衬里到航天器着陆时的缓冲支柱。

图片来源： 威斯康星大学麦迪逊分校

“我们开发了一个新颖的设计框架，帮助设计师创造出一种特定几何形状的减震材料，使其能够精确地发挥其功能，而不会增加重量或体积，”领导这项研究的威斯康星大学麦迪逊分校机械工程副教授Ramathasan Thevamaran说道。“它允许设计师定制材料以获得最佳性能，并根据不同的应用进行定制，而无需经过大量的实验和反复试验。”

传统上，设计的目标是设计一种具有机械性能的减震材料，使其能够保持恒定的应力平台。设计师通常采用迭代过程，专注于优化机械性能，而不考虑应用中使用的泡沫垫的厚度和面积。

威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员采取了不同的方法。他们研究了泡沫垫的厚度和面积以及机械性能。令他们惊讶的是，他们发现，在某些冲击场景下，表现出不同行为——非线性应力-应变响应——的泡沫比保持应力水平恒定的泡沫表现更好。

“这项研究表明，传统上被认为是‘理想吸收体’的泡沫并不总是最好的，”Thevamaran说道。“我们表明，具有非线性响应的泡沫实际上可以提供更广阔的设计空间，尤其是在需要紧凑型垫设计时。值得注意的是，这些发现非常具有普适性，适用于包括超材料在内的各种材料系统。”

该团队在2025年8月4日发表在期刊《自然通讯》上的一篇论文中详细介绍了相关研究成果。研究人员的新框架提供了基于多个变量最大化材料能量吸收的设计标准。输入包括泡沫垫的厚度和面积以及材料特性。研究人员还指定了给定冲击的加速度和应力阈值。

利用这些信息，该框架可以生成所需材料的设计图。设计师可以使用该图轻松定制材料——例如，他们可以优化以达到最小厚度或更轻的重量，或两者兼而有之。

为了证明该框架的有效性，研究人员利用该框架在他们开发的垂直排列碳纳米管泡沫中实现了最佳的防护性能。目前研究人员已将该框架免费在线开放。

而正当科研界持续努力应对传统材料带来的挑战之际，Thevamaran团队的研究成果有望催生一波新的设计和应用浪潮。动态建模技术与综合设计参数的结合，代表着在寻求更高效、更有效的防护材料方面迈出了重要的一步，其潜力无限。即将开展的研究和项目很可能将进一步拓展这些发现，优化现有技术，同时为材料科学的突破性创新铺平道路。

其影响远不止于吸收冲击力，它还触及到提升日常生活安全性和技术的更广阔领域。随着科技的飞速发展，从汽车到个人防护设备等各个行业都将受益于这些定制材料。