植物通过运动和刚度变化来自主响应和适应昆虫、降雨、障碍物等引起的机械应力。一些具有感知机械应力的专门器官(触发毛、小叶等)的植物，它们对不同来源的机械应力有不同的响应行为。在植物系统中，纤维在控制细胞伸长和反映生长状态方面起着至关重要的作用。在承受机械力的作用下，微原纤维倾向于移动和旋转，这种动态机械响应具有很强的可控性和可预测性。但由于传统的制造方法难以基质内实现纤维的复杂空间排列，该机理很少在人工材料中进行研究。
近日，吉林大学工程仿生教育部重点实验室任露泉院士团队，刘庆萍研究员、李冰倩副教授课题组通过自主开发的磁辅助3D打印方法提出了一种纤维主导的应变速率依赖光敏树脂复合材料。该光敏树脂以IBOA(丙烯酸异硼酸酯)为单体，以不同质量比的AUD (Ebecryl 8413)为交联剂，以2%质量比的Irgacure 819为光引发剂。通过调节单体与交联剂的比例，可以调节光敏树脂的粘弹性、拉伸性和弹性模量等力学性能，通过光敏树脂中的定向纤维来模拟植物细胞壁粘弹性果胶基质中的纤维素原纤维。
该工作研究了材料组成、固化程度、纤维含量和纤维取向对纤维主导复合材料粘弹性的影响。不同AUD比的复合材料表现出显著的速率相关力学行为；随着AUD比的增加，复合材料的刚度在AUD含量为1.75时达到峰值，随后下降；当固化时间较短时，材料表现出较低的弹性模量和较小的速率依赖性。当固化时间超过1小时时，材料达到接近完全固化的状态，并且任何后续的固化时间延长仅产生弹性模量的升高；随着纤维含量的增加，复合材料的弹性模量呈现先上升后下降的趋势，纤维含量阈值为14%；纤维角度的升高降低了复合材料的弹性模量，而排列的复合材料比无序的复合材料具有更好的刚度（图2）。
本文制备了双梁结构，在加载速率和弹性模量坐标系内存在交集时，能够出现速率相关的左、右屈曲现象。当加载速率低于交点时，梁的内侧比外侧表现出更高的刚度，导致压缩过程中的负泊松比变形。当加载速率超过临界点时，梁的内侧刚度低于外侧，导致变形模式完全转变为正泊松比变形。对上述梁进行应力松弛试验，并根据获得的数据进行Abaqus模拟分析。模拟结果捕获了不同加载速率下连接点前后的不同变形特征，与实验结果吻合较好。使用高速数字图像相关(DIC)分析系统，获得了双梁结构在压缩载荷下的平面应变，并确定了样品的应力集中分布（图3）。此外，在自然界中，一些植物（如捕蝇草、猪笼草和敏感植物），可以辨别刺激的大小和类型，从而实现它们的打开和关闭动作。在这里，通过包含六个梁结构的圆形安排来模仿大王花的结构。当加载较低的压缩速率时，梁结构呈现向内弯曲，导致仿生结构处于封闭状态。相反，当受到更高的压缩速率时，仿生结构发生向外弯曲，导致打开状态。这种仿生结构有效地模拟了食肉植物对各种外界刺激的差异化反应特征。对外界刺激的选择性和差异化反应可以仅通过利用材料固有的粘弹性特性来实现，而不需要传感单元。此外，该结构还具有良好的低频隔振特性。在3.5 kg平衡重量施加的压力下，该结构实现了低至3hz的初始隔离频率。（图4）
最后，本文设计了一个开关结构，展示了粘弹性材料在逻辑门控制中的潜力。灵感来源于安全气囊的工作机制，它能够通过碰撞传感器和点火器的作用，在感应到较大的加速度时迅速膨胀，为乘客提供有效的保护。该机构能够将弯曲力转化为扭矩，在不同加载速率下进行顺时针和逆时针运动，从而触发安全气囊开关。它由逻辑门、开关、气泵、电源和气囊组成。定义低速负载输入为0，高速负载输入为0输入为1;逆时针旋转定义为1，顺时针旋转定义为0。当双梁结构对称布置时，双梁结构在低压缩率和高压缩率下分别呈现相反的旋转方向。分别为较低加载速率(输入0,30 mm/min)下逆时针旋转(输出1)和较高加载速率(输入1,150 mm/min)下顺时针旋转(输出0)的结构。不同加载速率下的力学响应图所示。这种以纤维为主导的复合材料具有自感知和自适应能力，在未来汽车和航空航天技术的智能材料领域具有广阔的应用前景（图5）。
该研究成果以“3D Printing of Fiber-dominated Strain Rate-dependent Robotic Material with Biomimetic Embedded Intelligence”为题发表于Additive Manufacturing期刊，该论文第一作者为吉林大学仿生科学与工程学院2021级本科生李健洋，指导教师包括任露泉院士和仿生3D/4D打印实验室负责人刘庆萍研究员，通讯作者为吉林大学工程仿生教育部重点实验室李冰倩副教授/刘长宜副教授/王坤阳教授。https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104555声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！
