研究人员发明了一种新方法，用于组装大型结构 - 甚至是飞机和桥梁 - 由小型互锁复合材料组成。

麻省理工学院的研究人员已经开发出一种轻质结构，其小块可以像儿童建筑玩具的砖块一样折断在一起。研究人员表示，这种新材料可以彻底改变飞机，航天器甚至更大型结构（如堤坝和堤坝）的组装。

本周刊载于科学杂志的一篇论文中描述了新的建构方法，该杂志由博士后的Kenneth Cheung和麻省理工学院的Bits and Atoms中心主任Neil Gershenfeld共同撰写。

Gershenfeld将结构（由微小的，相同的，互锁的部件组成）比作链子。这些部件基于Cheung与Gershenfeld开发的新颖几何形状，形成了一种结构，对于给定重量，其结构比现有的超轻材料硬10倍。但是这种新结构也可以轻松拆卸和重新组装 - 例如修复损坏，或将部件回收到不同的配置中。

各个部件可以批量生产; Gershenfeld和Cheung正在开发一种机器人系统，将它们组装成机翼，飞机机身，桥梁或火箭 - 以及许多其他可能性。

Gershenfeld说，新设计结合了三个研究领域：纤维复合材料，多孔材料（用多孔电池制造）和增材制造（如三维印刷，其中结构是通过沉积而不是去除材料建造的）。

传统的复合材料 - 现在用于从高尔夫球杆和网球拍到波音新787飞机部件的所有部件 - 每件都是作为连续单元制造的。因此，制造大型结构，例如飞机机翼，需要大型工厂，其中纤维和树脂可以缠绕并且部件作为整体进行热固化，从而最小化在最终组装中必须连接的单独件的数量。例如，这一要求意味着波音公司的供应商必须建造巨大的设施来为787制造零件。

磅为英镑，新技术允许更少的材料承载给定的负载。这不仅可以减轻车辆的重量，例如 - 可以显着降低燃料使用和运营成本 - 而且还可以降低建造和组装的成本，同时允许更大的设计灵活性。该系统对于“你需要移动，放置在空中或太空中的任何东西都很有用”，Cheung说，他将于今年秋天开始工作，担任美国宇航局艾姆斯研究中心的工程师。
 

在实验室中，制备多孔复合材料样品以测试其强度性质。 照片由Kenneth Cheung提供

Gershenfeld说，这个概念是针对“你能3D打印一架飞机吗？”这个问题而出现的。虽然他和Cheung意识到三维打印是如此大规模的不切实际的方法，但他们想知道它是否可能是可能而是使用他们正在研究的离散“数字”材料。

“这满足了问题的精神，”Gershenfeld说，“但它是组装而不是印刷。”该团队现在正在开发一种装配机器人，它可以在一个不断增长的结构表面爬行，像昆虫一样，逐个添加碎片现有的结构。

在传统的复合材料制造中，大型部件之间的接头往往是裂缝和结构故障开始的地方。虽然这些新结构是通过连接许多小复合纤维环而制成的，但Cheung和Gershenfeld表明它们的行为类似于弹性固体，其刚度或模量等于更重的传统结构 - 因为力通过内部结构传递碎片分布在晶格结构上。

更重要的是，当传统的复合材料受到破坏时，它们往往会突然大规模地失效。但研究人员说，新的模块化系统往往只是递增地失败，这意味着它更可靠，更容易修复。“这是一个大规模冗余的系统，”Gershenfeld说。

Cheung生产了扁平的十字形复合材料，这些复合材料被夹在一个八面体单元的立方晶格中，这种结构称为“cuboct” - 类似于地壳的主要成分 - 钙钛矿矿物的晶体结构。研究人员解释说，虽然可以拆卸各个组件进行维修或回收，但它们不会自行脱落。与安全带上的带扣一样，它们被设计成在正常使用中可能施加的力的方向上很坚固，并且需要在完全不同的方向上施加压力以便被释放。

连接多种类型零件的可能性为复合材料制造带来了新的设计自由度。研究人员表明，通过组合不同的部件类型，他们可以制作具有相同几何形状的变形结构，但是在响应负载时以不同方式弯曲：不是仅在固定关节处移动，机器人的整个臂或飞机机翼都可以改变形状。

负责飞机制造商空中客车公司创新计划的Alain Fontaine表示，这种建筑结构的新方法“确实具有破坏性。它为设计和制造飞机结构提供了有趣的机会。“他说，这些技术可以为其他机会敞开大门”，并具有降低制造成本的巨大潜力。

除了Gershenfeld和Cheung之外，该项目还包括麻省理工学院的本科生Joseph Kim和校友Sarah Hovsepian（现在在美国宇航局的Ames研究中心）。这项工作得到了国防高级研究计划局和比特和原子中心的赞助者的支持，Spirit Aerosystems在复合材料开发方面进行了合作。

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