受自然启发的新的灵活的“元材料”可以帮助我们建造形变的太空栖息地和望远镜

By Paul Sutter

 published 11 hours ago

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研究人员已经设计了一种灵活的可以为适应性空间结构发展铺平道路的材料。

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艺术家的一种含有构建块的高性能大型空间结构的概念，在本例中是一种用模块化组件在月球表面上的太阳能电池阵列。 (Image credit: NASA)

在活的东西中结构被从简单、可重复的模式构建。这些往往以一种无组织的格子形式而来。大型结构如骨骼或珊瑚从一种以一种随意方式建立起一个基本模式的重复生长轮浮现。

尽管这种明显的无组织化，但由此造成的结构能获得各种形状并有惊人的强度、多样性和其他有用的属性。最重要的是造成的结构往往有支撑单元不拥有的属性。例如单个骨细胞或珊瑚息肉骨骼不是非常强的，但当它们一起工作时它们能支持宏大的动物或巨大的水下群。

汲取来自自然的灵感，工程师们已经用人工设计的材料来重复这种灵活性。目标是来制造有用的能从一种支撑模式的重复生长被构建的材料，其中新结构获得支撑模式单独没有的属性。超过这个的一个进步是元材料的研究，元材料是通过应用一个简单的外力如一个电场或压缩能变化它们的形状或属性的结构。

这些类型的材料对太空应用是特别有趣的。我们将喜欢来发射一个简单材料的有效载荷然后让这些材料在太空中组装和重新组装。这将避免大型复杂结构如栖息地和望远镜的测试和防发射挑战，并赋予我们如果使命需要被更新来更改这些结构的灵活性。

由中性稳定的单元格子弄成的全形组装。 (Image credit: ESA Advanced Concepts Team)

一种承诺的元材料是被称为一个全形格子的。该格子的基本成分是一个三角形结构。在一侧是一个在中心有一个球形接头的固定梁。一个臂附着到该球形接头，臂的另一端被用两个弹簧附着到固定梁的两端。当这些形状的许多被一起附着时造成的结构能形变为各种形状和结构，所有都有最小的输入。这赋予这种全形的格子难以置信的灵活性。

在最近的一篇论文中，欧洲航天局高级概念团队的科学家们在全形的格子中从一个假设的想法到实际应用取得了一个重大飞跃。这些格子的一个主要问题是如何不用被缠结来重构一个大结构成另一种形状以及如何尽可能高效的完成这种变形。