在实验室测试中，一种新的填充物设计(右)优于更传统的技术，如泡沫(左)，由相同的弹性材料制成。来源:劳伦斯·史密斯

　　足球运动员(以及其他遭受重击的人)可能要松一口气了。

　　在最近的研究中，科罗拉多大学博尔德分校和桑迪亚国家实验室的工程师们开发了一种新的衬垫设计，可以承受巨大的冲击。这个团队的创新成果可以在市面上的3D打印机上打印出来，有一天可能会出现在从运输板条箱到足球垫的所有东西上——任何有助于保护易碎物品或身体免受生活颠簸的东西。

　　该团队在最近发表在《先进材料技术》杂志上的一篇论文中描述了这项技术。

　　“减轻冲击在任何地方都很重要，”该研究的通讯作者、科罗拉多大学博尔德分校保罗·m·雷迪机械工程系助理教授罗伯特·麦克库迪说。“它存在于公路防撞护栏、护膝和护肘以及包装设备中。”

　　这项研究重新审视了大多数人经常遇到但很少注意到的东西:泡沫。它们是黏糊糊的材料，里面充满了无数的小孔和通道。想象一下包装花生或压力球。麦科迪说，泡沫可以很好地吸收冲击，但它们有一个主要缺点:如果你把泡沫挤得足够紧，它最终会压缩成一个硬团。

　　在实验室实验中，科罗拉多大学博尔德分校的工程师们3D打印出新的填充物设计，然后用一台强大的机器将它们粉碎。该团队的作品经受住了冲击，吸收的能量是用相同材料制成的传统设计或泡沫的几倍。来源:劳伦斯·史密斯

　　他和他的同事认为他们可以做得更好。

　　在这项新研究中，研究小组编写了计算机算法，精心地重新设计了缓冲材料的内部，使它们能够在外力下弯曲，但只能遵循一种谨慎的模式。当该团队将他们的设计在实验室进行测试时，他们发现他们的填充物可以比目前最先进的技术多吸收25%的力。

　　“你用来吸收冲击的材料很重要，”麦考迪说。“但真正重要的是几何形状。”

　　放大

　　要理解为什么有些靠垫很好用，而另一些则不行，这有助于深入了解内部。

　　例如，让泡沫产生弹性的是那些小角落和缝隙。麦考迪解释说，当你挤压海绵时，这些空隙会开始闭合，从而吸收能量。

　　一些工程师已经超越了这种基本设计。相反，他们用六角形塔或“板格”网络填充，看起来有点像蜂巢。如果一个后卫，也许，撞到这种垫子，影响将导致蜂窝状的波浪状倒塌。这是一种更有效的吸收力的方式。

　　但是，麦克库迪指出，研究人员长期以来一直在努力寻找符合黄金标准的填充物——这种技术不仅能吸收大量的力量，而且还能以同样的技巧吸收许多不同的力量。

　　“如果你骑着自行车发生碰撞，你不知道这将是低速撞击还是高速撞击。但无论如何，你都希望你的头盔表现良好。”“我们正在努力开发一种在所有这些情况下都表现良好的几何结构。”

　　用力挤

　　为了制造一个更多功能的垫子，工程师和他的同事们选择重新排列这些物体的内部，精确到一毫米或更小的尺度。

　　该小组首先使用定制软件来布置蜂窝网络，然后对它们进行微调，使其包含一些扭结，有点像手风琴的风箱。这些扭结有助于引导蜂巢在撞击过程中坍塌，从而使其更平滑地坍塌。

　　“当你开始压缩这些结构时，它们会吸收一定量的力，”麦考迪说。“最好的减震器设计在整个压缩范围内保持恒定的力。”

　　换句话说，与泡沫不同的是，无论你如何挤压这些垫子，它们的行为都是一样的——或者至少是达到一定的最大值。

　　研究人员还想确保他们的填充物能够经得起现实世界中的碰撞和擦伤。他们用一台3D打印机用一种叫做热塑性聚氨酯的弹性材料制作出一块小砖大小的积木。然后他们用冲击试验机挤压它们。

　　研究小组发现，这种蜂窝状材料可以吸收的能量大约是用同样材料制成的标准泡沫的六倍，比其他蜂窝设计多25%。麦库迪和他的同事们目前正致力于进一步改进他们的结构。他补充说，工程师们可以用许多不同类型的材料做出这种设计，从有弹性的塑料到更硬的物质，比如铝。

　　换句话说，世界可能很快就会变得更加柔软。

　　参考文献:“可调超材料的冲击缓解”，由劳伦斯·史密斯，布兰登·海耶斯，柯蒂斯·福特，伊丽莎白·史密斯，大卫·弗洛雷斯和罗伯特·麦克库迪，2024年1月20日，先进材料技术。DOI: 10.1002 / admt.202301668