麻省理工学院在将二维材料集成到设备方面取得突破

麻省理工学院在将二维材料集成到设备方面取得突破这幅艺术家的作品展示了麻省理工学院研究人员开发的一种新型集成平台。通过对表面力进行工程设计，他们只需一个接触和释放步骤，就能将二维材料直接集成到设备中。图片来源：SampsonWilcox/电子研究实验室提供但是，将二维材料集成到计算机芯片等设备和系统中是众所周知的难题。这些超薄结构可能会受到传统制造技术的破坏，这些技术通常依赖于使用化学品、高温或蚀刻等破坏性工艺。为了克服这一挑战，麻省理工学院和其他大学的研究人员开发出了一种新技术，只需一步就能将二维材料集成到设备中，同时保持材料表面和由此产生的界面原始无缺陷。他们的方法依赖于纳米级的工程表面力，使二维材料可以物理叠加到其他预制设备层上。由于二维材料不会受损，研究人员可以充分利用其独特的光学和电学特性。所开发的平台利用行业兼容的工具集，使这一过程可以扩展。在这里，主要作者彼得-萨特斯韦特（PeterSatterthwaite）使用MIT.nano中修改过的配准工具进行图案化配准集成。他们利用这种方法制造出了二维晶体管阵列，与使用传统制造技术制造出的器件相比，实现了新的功能。他们的方法用途广泛，可用于多种材料，可在高性能计算、传感和柔性电子器件等领域广泛应用。释放这些新功能的核心是形成清洁界面的能力，所有物质之间存在的特殊力量（称为范德华力）将这些界面连接在一起。电子工程与计算机科学（EECS）助理教授、电子学研究实验室（RLE）成员FarnazNiroui是介绍这项工作的新论文的资深作者。"范德华积分有一个基本限制，"她解释说，"由于这些作用力取决于材料的内在特性，因此无法轻易调整。因此，有些材料无法仅利用其范德华相互作用来直接相互整合。我们提出了一个解决这一限制的平台，以帮助范德华集成变得更加通用，从而促进具有新功能和改进功能的基于二维材料的设备的开发。"Niroui与论文第一作者、电子工程与计算机科学研究生PeterSatterthwaite，电子工程与计算机科学教授、RLE成员JingKong，以及麻省理工学院、波士顿大学、台湾国立清华大学、台湾国家科学技术委员会和台湾国立成功大学的其他人共同撰写了这篇论文，这项研究最近发表在《自然-电子学》上。纳米级表面力的多样性使研究人员能够将粘合剂基质转移到许多不同的材料上。例如，在这里，通过使用粘合聚合物，他们能够将图案化的石墨烯（一原子厚的碳薄片）从源基底（上图）转移到接收粘合聚合物（下图）上。图片来源：Niroui小组提供使用传统制造技术制造计算机芯片等复杂系统可能会变得一团糟。通常情况下，像硅这样的硬质材料会被凿成纳米级，然后与金属电极和绝缘层等其他元件连接，形成有源器件。这种加工过程会对材料造成损害。最近，研究人员专注于使用二维材料和一种需要连续物理堆叠的工艺，自下而上地构建设备和系统。在这种方法中，研究人员不是使用化学胶水或高温将脆弱的二维材料粘合到硅等传统表面上，而是利用范德华力将一层二维材料物理集成到设备上。范德华力是存在于所有物质之间的自然吸引力。例如，壁虎的脚会因为范德华力而暂时粘在墙上。虽然所有材料都存在范德华力，但根据材料的不同，范德华力并不总是强大到足以将它们粘在一起。例如，一种名为二硫化钼的流行半导体二维材料会粘在黄金上，但不会通过与二氧化硅等绝缘体表面的物理接触直接转移到该表面上。然而，通过整合半导体层和绝缘层制成的异质结构是电子设备的关键组成部分。以前，实现这种集成的方法是将二维材料粘合到一个中间层（如金）上，然后使用该中间层将二维材料转移到绝缘体上，最后再使用化学品或高温去除中间层。麻省理工学院的研究人员没有使用这种牺牲层，而是将低粘性绝缘体嵌入高粘性基质中。这种粘合基质使二维材料粘附在嵌入的低粘合力表面上，提供了在二维材料和绝缘体之间形成范德华界面所需的力。制作矩阵为了制造电子设备，他们在载体基底上形成金属和绝缘体的混合表面。然后将该表面剥离并翻转，就会看到一个完全光滑的顶面，其中包含所需的器件构件。这种光滑度非常重要，因为表面和二维材料之间的间隙会阻碍范德华相互作用。然后，研究人员在完全洁净的环境中单独制备二维材料，并将其与制备好的器件堆栈直接接触。"一旦混合表面与二维层接触，无需任何高温、溶剂或牺牲层，它就能拾取二维层并将其与表面整合在一起。"萨特斯韦特解释说："通过这种方式，我们可以实现传统上被禁止的范德华集成，但现在却可以实现，而且只需一步就能形成功能齐全的器件。"这种单步工艺可使二维材料界面保持完全清洁，从而使材料达到其性能的基本极限，而不会受到缺陷或污染的影响。而且，由于二维材料的表面也保持原始状态，研究人员可以对二维材料的表面进行工程设计，以形成与其他元件的特征或连接。例如，他们利用这种技术制造出了p型晶体管，而利用二维材料制造这种晶体管通常是具有挑战性的。他们的晶体管在以前的研究基础上有所改进，可以为研究和实现实用电子产品所需的性能提供一个平台。展望未来他们的方法可以大规模地制造更大的装置阵列。粘合基质技术还可用于一系列材料，甚至与其他力量结合使用，以增强这一平台的多功能性。例如，研究人员将石墨烯集成到器件上，利用聚合物基质形成所需的范德华界面。在这种情况下，粘附依靠的是化学作用，而不仅仅是范德华力。未来，研究人员希望以此平台为基础，整合各种二维材料库，在不受加工损伤影响的情况下研究其内在特性，并利用这些卓越功能开发新的设备平台。编译自:ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1423078.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1423078.htm

麻省理工学院的微观超材料可抵御超音速撞击

麻省理工学院的微观超材料可抵御超音速撞击这就是麻省理工学院工程师在微观超材料实验中的发现--这些材料是有意打印、组装或以其他方式设计的，其微观结构赋予了材料整体特殊的性能。在最近发表在《美国国家科学院院刊》上的一项研究中，工程师们报告了一种快速测试超材料结构阵列及其对超音速撞击的适应性的新方法。通过以超音速发射微粒子，麻省理工学院的工程师们可以测试各种超材料的弹性，这些超材料是由小到一个红血球的结构制成的。图为微粒子撞击超材料结构的四段视频截图。图片来源：研究人员提供在实验中，研究小组将印刷好的微小超材料晶格悬挂在微观支撑结构之间，然后以超音速向材料发射更微小的粒子。然后，研究小组利用高速摄像机以纳秒级的精度捕捉每次撞击及其后果的图像。他们的研究发现了一些超材料结构，与完全固态、非结构化的同类材料相比，它们更能抵御超音速撞击。研究人员说，他们在微观层面观察到的结果可以推广到类似的宏观冲击，从而预测新材料结构在不同长度尺度上如何抵御现实世界中的冲击。研究人员打印出错综复杂的蜂窝状材料，悬浮在相同材料的支撑柱之间（如图）。这种微观结构的高度相当于人类三根头发的宽度。图片来源：研究人员提供"我们正在学习的是，材料的微观结构很重要，即使在高速变形的情况下也是如此，"研究报告的作者、麻省理工学院机械工程系教授卡洛斯-波特拉（CarlosPortela）说。"我们希望找出抗冲击结构，将其制成涂层或面板，用于航天器、车辆、头盔以及任何需要轻质和保护的物体。"该研究的其他作者包括第一作者、麻省理工学院研究生托马斯-布特鲁伊尔（ThomasButruille）和DEVCOM陆军研究实验室的约书亚-克龙（JoshuaCrone）。纯粹的影响团队的新高速实验建立在之前工作的基础上，工程师们在实验中测试了一种超轻碳基材料的韧性。这种材料比人的头发丝还细，由微小的碳支柱和碳束制成，研究小组打印了这些碳支柱和碳束，并将其放置在玻璃载玻片上。然后，他们以超过音速的速度向材料发射微粒子。这些超音速实验表明，微结构材料能够承受高速撞击，有时能使微粒子偏转，有时则能捕获它们。Portela说："但有许多问题我们无法回答，因为我们是在基底上测试材料，这可能会影响它们的行为。"麻省理工学院的工程师们捕捉到了微粒子通过精确设计的超材料发射的视频，其测量厚度比人的头发丝还细。图片来源：研究人员提供在他们的新研究中，研究人员开发了一种测试独立超材料的方法，以观察材料在没有背衬或支撑基底的情况下，自身如何承受撞击。在目前的设置中，研究人员将感兴趣的超材料悬挂在两根由相同基础材料制成的微型支柱之间。根据被测试超材料的尺寸，研究人员计算出两根支柱必须相距多远，才能在两端支撑材料，同时让材料对任何冲击做出反应，而不受支柱本身的影响，这样就能确保我们测量的是材料特性，而不是结构特性。研究小组确定了支柱支撑设计后，便开始测试各种超材料架构。对于每种结构，研究人员首先在一个小型硅芯片上打印出支撑柱，然后继续打印超材料作为柱子之间的悬浮层，在一个芯片上打印和测试数百个这样的结构。穿孔和裂缝研究小组打印出的悬浮超材料类似于错综复杂的蜂巢状截面。每种材料都印有特定的三维微观结构，如重复八面体或多面体多边形的精确支架。每个重复单元的大小与一个红血球相当。由此产生的超材料比人的头发丝还要细。随后，研究人员以每秒900米（每小时2000多英里）的速度-完全在超音速范围内向这些结构发射玻璃微粒子，测试每种超材料的抗冲击能力。他们用相机捕捉了每次撞击，并逐帧研究了生成的图像，以了解射弹是如何穿透每种材料的。接下来，他们在显微镜下检查了这些材料，并比较了每次撞击的物理后果。波特拉说："在建筑材料中，我们看到了撞击后小圆柱形弹坑的形态。但在固体材料中，我们看到了许多径向裂缝和被刨出的大块材料"。总之，研究小组观察到，发射的粒子在晶格超材料上造成了小的穿孔，而材料却保持完好无损。与此相反，当以相同的速度将相同的粒子发射到质量相等的非晶格固体材料中时，它们会产生大裂缝，并迅速扩散，导致材料破碎。因此，微结构材料能更有效地抵御超音速撞击以及多重撞击。尤其是印有重复八面体的材料似乎最坚硬。意见和未来方向"在相同的速度下，我们看到八面体结构更难断裂，这意味着单位质量的超材料能够承受的冲击力是块状材料的两倍，"波特拉说。"这告诉我们，有一些结构可以使材料变得更坚硬，从而提供更好的冲击保护"。展望未来，该团队计划利用新的快速测试和分析方法来确定新的超材料设计，希望能标记出可升级为更坚固、更轻便的防护装备、服装、涂层和镶板的架构。波特拉说："最让我兴奋的是，我们可以在台式机上进行大量这些极端实验。这将大大加快我们验证新型高性能弹性材料的速度。"编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1420685.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1420685.htm

光电纳米技术的创新：麻省理工学院培育出精确的纳米LED阵列

光电纳米技术的创新：麻省理工学院培育出精确的纳米LED阵列麻省理工学院的一个新平台使研究人员能够"生长"卤化物包晶纳米晶体，并精确控制每个晶体的位置和尺寸，将它们集成到纳米级发光二极管中。图为纳米晶体阵列发光效果图。图片来源：SampsonWilcox,RLE提供卤化物钙钛矿是一类材料，因其优异的光电特性以及在高性能太阳能电池、发光二极管和激光器等器件中的潜在应用而引起人们的关注。这些材料已主要应用于薄膜或微米尺寸的设备应用中。在纳米尺度上精确集成这些材料可以开辟更非凡的应用，例如片上光源、光电探测器和忆阻器。然而，实现这种集成仍然具有挑战性，因为这种精致的材料可能会被传统的制造和图案化技术损坏。为了克服这一障碍，麻省理工学院的研究人员发明了一种技术，可以在需要的地方现场生长单个卤化物钙钛矿纳米晶体，并精确控制位置，尺寸在50纳米以内。（一张纸的厚度为100000纳米）纳米晶体的尺寸也可以通过该技术精确控制，这一点很重要，因为尺寸会影响其特性。由于材料是局部生长的，具有所需的特征，因此不需要可能造成损坏的传统光刻图案化步骤。NanOLED阵列（如图所示）可应用于光通信和计算、无透镜显微镜、新型量子光源以及用于增强和虚拟现实的高密度、高分辨率显示器。图片来源：研究人员提供该技术还具有可扩展性、多功能性，并且与传统的制造步骤兼容，因此它可以使纳米晶体集成到功能性纳米级器件中。研究人员用它来制造纳米级发光二极管（nanoLED）阵列，这是一种在电激活时发光的微小晶体。这种阵列可应用于光通信和计算、无透镜显微镜、新型量子光源以及用于增强和虚拟现实的高密度、高分辨率显示器。“正如我们的工作所示，开发新的工程框架将纳米材料集成到功能性纳米器件中至关重要。通过超越纳米制造、材料工程和设备设计的传统界限，这些技术可以让我们在极端纳米尺度上操纵物质，帮助我们实现非常规设备平台，这对于满足新兴技术需求非常重要。”Landsman电气工程和计算机科学(EECS)职业发展助理教授、电子研究实验室(RLE)成员，也是描述这项工作的新论文的资深作者。Niroui的合著者包括主要作者PatriciaJastrzebska-Perfect，她是EECS研究生；朱伟坤，化学工程系研究生；MayuranSaravanapavanantham、SarahSpector、RobertoBrenes和PeterSatterthwaite，均为EECS研究生；郑莉，RLE博士后；RajeevRam，电气工程教授。该研究于7月6日发表在《自然通讯》杂志上。微小的晶体，巨大的挑战使用传统的纳米级制造技术将卤化物钙钛矿集成到片上纳米级器件中是极其困难的。在一种方法中，可以使用光刻工艺对易碎的钙钛矿薄膜进行图案化，该工艺需要可能损坏材料的溶剂。在另一种方法中，首先在溶液中形成较小的晶体，然后以所需的图案从溶液中拾取并放置。“这两种情况都缺乏控制、分辨率和集成能力，这限制了材料扩展到纳米设备的方式，”尼鲁伊说。相反，她和她的团队开发了一种方法，可以在精确的位置直接“生长”卤化物钙钛矿晶体到所需的表面，然后在该表面上制造纳米器件。他们的流程的核心是本地化纳米晶体生长中使用的解决方案。为此，他们创建了一个带有小孔的纳米级模板，其中包含晶体生长的化学过程。它们修改模板的表面和孔的内部，控制一种称为“润湿性”的特性，因此含有钙钛矿材料的溶液不会聚集在模板表面上，并将被限制在孔内。“现在就有了这些非常小的、确定性的反应堆，材料可以在其中生长，”她说。他们将含有卤化物钙钛矿生长材料的溶液施加到模板上，随着溶剂蒸发，材料生长并在每个孔中形成微小的晶体。一种多功能且可调节的技术研究人员发现孔的形状在控制纳米晶体的位置方面起着关键作用。如果使用方形孔，由于纳米级力的影响，晶体有相同的机会放置在孔的四个角中。对于某些应用来说，这可能已经足够了，但对于其他应用来说，纳米晶体的放置需要更高的精度。通过改变孔的形状，研究人员能够设计这些纳米级的力，使晶体优先放置在所需的位置。当溶剂在孔内蒸发时，纳米晶体会经历压力梯度，产生定向力，确切的方向由孔的不对称形状确定。Niroui说：“这使我们不仅在生长方面，而且在这些纳米晶体的放置方面都具有非常高的精度。”他们还发现可以控制井内形成的晶体的大小。改变孔的大小以允许内部更多或更少的生长溶液产生更大或更小的晶体。通过制造精确的nanoLED阵列展示了其技术的有效性。在这种方法中，每个纳米晶体都被制成发光的纳米像素。这些高密度nanoLED阵列可用于片上光通信和计算、量子光源、显微镜以及增强和虚拟现实应用的高分辨率显示器。未来，研究人员希望探索这些微小光源的更多潜在应用。他们还想测试这些设备的极限，并努力将它们有效地整合到量子系统中。除了纳米级光源之外，该过程还为开发基于卤化物钙钛矿的片上纳米器件开辟了其他机会。他们的技术还为研究人员提供了一种更简单的方法来研究单个纳米晶体水平的材料，他们希望这将激励其他人对这些和其他独特材料进行更多研究。Jastrzebska-Perfect补充道：“通过高通量方法研究纳米级材料通常需要对材料进行精确定位并按该规模进行设计。通过提供局部控制，我们的技术可以改善研究人员研究和调整材料性能以适应不同应用的方式。”“该团队开发了一种非常聪明的方法，可以在基板上确定性地合成单个钙钛矿纳米晶体。他们可以以前所未有的规模控制纳米晶体的精确放置，从而为基于单纳米晶体制造高效纳米级LED提供了一个平台。”加州大学伯克利分校电气工程和计算机科学教授AliJavey说道，他没有参与这项研究。“这是一项令人兴奋的工作，因为它克服了该领域的基本挑战。”...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1370463.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1370463.htm

麻省理工学院的工程师们培育出"完美"的仅有原子厚度的材料

麻省理工学院的工程师们培育出"完美"的仅有原子厚度的材料再来谈谈二维材料-精致的、二维的完美晶体片，其厚度只有一个原子。在纳米尺度上，二维材料可以比硅更有效地传导电子。因此，寻找下一代晶体管材料的工作集中在二维材料上，作为硅的潜在继承者。但是在电子工业能够过渡到二维材料之前，科学家们必须首先找到一种方法，在工业标准的硅片上安放这些材料，同时保留其完美的结晶形式。而麻省理工学院的工程师现在可能有一个解决方案。该团队已经开发出一种方法，可以使芯片制造商通过在现有的硅和其他材料的晶圆上生长，用二维材料制造出更小的晶体管。这种新方法是一种"非外延式单晶生长"的形式，该团队首次使用这种方法在工业硅晶圆上生长出纯净的、无缺陷的完美二维材料。通过他们的方法，研究小组用一种叫做过渡金属二氯化物（TMDs）的二维材料制造了一个简单的功能晶体管，众所周知，这种材料在纳米尺度上的导电性能比硅更好。麻省理工学院机械工程系副教授JeehwanKim说："我们预计我们的技术可以使基于二维半导体的高性能下一代电子设备得到发展。我们已经解开了一个使用二维材料追赶摩尔定律的方法。"Kim和他的同事在最近发表于《自然》杂志的一篇论文中详细介绍了他们的方法。这项研究的麻省理工学院合作者包括KiSeokKim、DoyoonLee、CelestaChang、SeunghwanSeo、HyunseokKim、JihoShin、SanghoLee、JunMinSuh和Bo-InPark，以及德克萨斯大学达拉斯分校、加州大学河滨分校、圣路易斯华盛顿大学和韩国各地机构的合作者。通过在涂有"掩膜"的晶圆上沉积原子（左上），麻省理工学院的工程师可以将原子聚集在掩膜的各个口袋里（中间），并鼓励原子生长成完美的二维单晶层（右下）。资料来源：JeehwanKim,KiSeokKim,et.晶体拼接为了生产二维材料，研究人员通常采用手工工艺，将原子厚度的薄片从块状材料中小心翼翼地剥离出来，就像剥去洋葱的一层。但是大多数块状材料是多晶体的，包含多个以随机方向生长的晶体。在一个晶体与另一个晶体相遇的地方，"晶界"就像一个电障。任何流经一个晶体的电子在遇到一个不同方向的晶体时突然停止，从而抑制了材料的导电性。即使在剥离二维薄片后，研究人员也必须在薄片上寻找"单晶"区域--这是一个繁琐而耗时的过程，很难在工业规模上应用。最近，研究人员发现了其他制造二维材料的方法，即在蓝宝石晶片上生长二维材料--一种具有六角形原子图案的材料，它推动二维材料以相同的单晶方向组装。"但在内存或逻辑行业中没有人使用蓝宝石，"Kim说。"所有的基础设施都是基于硅的。对于半导体加工，你需要使用硅晶圆。"然而，硅晶圆缺乏蓝宝石的六边形支撑支架。当研究人员试图在硅上生长二维材料时，其结果是晶体的随机拼凑，胡乱地合并，形成许多阻碍导电性的晶界。"人们认为在硅上生长单晶二维材料几乎是不可能的，"Kim说。"现在我们表明它可以，我们的诀窍是从源头防止形成晶界。"“种子袋”该团队新的"非外延式单晶生长"不需要剥离和搜索二维材料的薄片。相反，研究人员使用传统的气相沉积方法，将原子抽过硅片。原子最终在晶圆上"定居"并形成晶核，直接生长为二维晶体方向。如果不加处理，每个"核"或晶体的种子将在硅片上以随机的方向生长。但是Kim和他的同事们找到了一种方法，使每个生长中的晶体对齐，在整个硅片上形成单晶区域。为了做到这一点，他们首先在硅片上覆盖了一层"掩膜"-一层二氧化硅涂层，他们将其图案化为微小的口袋，每一个口袋都被设计用来捕获一个晶体种子。然后，他们在被遮蔽的硅片上流淌着原子的气体，这些原子沉淀在每个口袋里，形成一种二维材料--在这种情况下是一种过渡金属二氯化物。掩膜的口袋聚集了原子，并鼓励它们以相同的单晶方向在硅片上组装。"这是一个非常令人震惊的结果，"Kim说，"到处都有单晶生长，即使2D材料和硅片之间没有外延关系。"利用他们的遮蔽方法，该团队制造了一个简单的TMD晶体管，并显示其电气性能与相同材料的纯片一样好。他们还应用该方法设计了一个多层器件。在用图案化的掩模覆盖硅片后，他们生长出一种二维材料来填充每个方块的一半，然后在第一层上生长出第二种二维材料来填充其余方块。结果是在每个方块内形成了超薄的单晶双层结构，往后，多种二维材料可以通过这种方式生长并堆叠在一起，以制造超薄、灵活和多功能的薄膜。"直到现在，还没有办法在硅片上以单晶形式制造二维材料，因此整个社区几乎放弃了为下一代处理器追求二维材料，"Kim说。"现在我们已经完全解决了这个问题，有了制造小于几纳米的器件的方法。这将改变摩尔定律的范式"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1343087.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1343087.htm

麻省理工学院的新方法简化了复杂材料的构造过程

麻省理工学院的新方法简化了复杂材料的构造过程麻省理工学院和奥地利科学技术研究所的研究人员创建了一种技术，将许多不同的细胞超材料构建块纳入一个统一的基于图形的表示中。他们使用这种表示创建了一个用户友好的界面，工程师可以利用该界面快速轻松地对超材料建模、编辑结构并模拟其属性。图片来源：图片由LianeMakatura、BohanWang、BoleiDeng和WojciechMatusik提供细胞超材料——由以各种模式重复的单元或细胞组成的人造结构——可以帮助实现这些目标。但很难知道哪种细胞结构会产生所需的特性。即使人们关注的是由较小的构件（如互连梁或薄板）组成的结构，也有无数种可能的布置需要考虑。因此，工程师只能手动探索所有假设可能的细胞超材料中的一小部分。麻省理工学院和奥地利科学技术研究所的研究人员开发了一种计算技术，使用户可以更轻松地从任何较小的构建块中快速设计超材料单元，然后评估所得超材料的特性。他们的方法就像超材料的专用CAD（计算机辅助设计）系统一样，允许工程师快速对非常复杂的超材料进行建模，并对可能需要数天时间才能开发的设计进行实验。用户友好的界面还使用户能够探索潜在超材料形状的整个空间，因为所有构建块都可以使用。“我们提出了一种表示方法，可以涵盖工程师传统上感兴趣的所有不同形状。因为你可以用相同的方式构建它们，这意味着你可以在它们之间更流畅地切换，”麻省理工学院电气工程和计算机科学说研究生LianeMakatura，该技术论文的共同主要作者。Makatura与麻省理工学院博士后BohanWang共同撰写了这篇论文。Yi-LuChen，奥地利科学技术研究所（ISTA）研究生；BoleiDeng，麻省理工学院博士后；ISTA教授ChrisWojtan和BerndBickel；资深作者WojciechMatusik是麻省理工学院电气工程和计算机科学教授，领导麻省理工学院计算机科学和人工智能实验室的计算设计和制造小组。该研究将在SIGGRAPH上展示。统一方法当科学家开发细胞超材料时，她通常首先选择一种用于描述其潜在设计的表示形式。此选择决定了可用于探索的形状集。例如，她可能会选择一种使用许多互连梁来表示超材料的技术。然而，这阻止了她探索基于其他元素的超材料，例如薄板或球体等3D结构。这些形状由不同的表示形式给出，但到目前为止，还没有一种统一的方法来用一种方法描述所有形状。“通过提前选择特定的子空间，你会限制你的探索并引入基于你的直觉的偏见。虽然这可能很有用，但直觉可能是不正确的，并且对于您的特定应用来说，其他一些形状可能也值得探索，”Makatura说。她和她的合作者退后一步，仔细研究了不同的超材料。他们发现构成整体结构的形状可以很容易地用低维形状来表示——梁可以简化为线，或者薄壳可以压缩为平坦的表面。他们还注意到，细胞超材料通常具有对称性，因此只需要表示结构的一小部分。其余部分可以通过旋转和镜像最初的部分来构建。“通过结合这两个观察结果，我们得出了这样的想法：细胞超材料可以很好地表示为图形结构，”她说。通过基于图形的表示，用户可以使用由顶点和边创建的构建块来构建超材料骨架。例如，要创建梁结构，需要在梁的每个端点放置一个顶点，并用一条线将它们连接起来。然后，用户使用该线上的函数来指定梁的厚度，该厚度可以变化，以便梁的一部分比另一部分厚。曲面的过程类似-用户用顶点标记最重要的特征，然后选择一个求解器来推断曲面的其余部分。这些易于使用的求解器甚至允许用户快速构建高度复杂的超材料，称为三周期最小表面（TPMS）。这些结构非常强大，但开发它们的通常过程是艰巨的并且容易失败。“通过我们的展示，您还可以开始组合这些形状。也许同时包含TPMS结构和梁结构的单元可以为您提供有趣的特性。但到目前为止，这些组合还没有得到任何程度的探索，”她说。在该过程结束时，系统输出整个基于图形的过程，显示用户为达到最终结构而采取的每项操作-所有顶点、边、解算器、变换和加厚操作。在用户界面中，设计人员可以在构建过程中的任何点预览当前结构，并直接预测某些属性，例如其刚度。然后，用户可以迭代地调整一些参数并再次评估，直到达到合适的设计。研究人员使用他们的系统重新创建了跨越许多独特类别的超材料的结构。一旦他们设计好骨架，每个超材料结构只需几秒钟即可生成。他们还创建了自动探索算法，为每个算法提供了一套规则，然后在他们的系统中将其放开。在一项测试中，算法在大约一小时内返回了1000多个潜在的基于桁架的结构。此外，研究人员还对10名几乎没有超材料建模经验的人进行了一项用户研究。用户能够成功地对他们给出的所有六种结构进行建模，并且大多数人都认为程序图表示使过程变得更容易。“我们的代表让人们更容易接触到各种结构。我们对用户生成TPMS的能力感到特别满意。即使对于专家来说，这些复杂的结构通常也很难生成。尽管如此，我们研究中的一种TPMS在所有六种结构中具有最低的平均建模时间，这令人惊讶且令人兴奋，”她说。未来，研究人员希望通过结合更复杂的骨骼增厚程序来增强他们的技术，以便该系统可以模拟更广泛的形状。他们还想继续探索自动生成算法的使用。从长远来看，他们希望使用该系统进行逆向设计，其中指定所需的材料属性，然后使用算法来找到最佳的超材料结构。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1389329.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1389329.htm

麻省理工学院工程师利用日本剪纸工艺制作出超强轻质结构

麻省理工学院工程师利用日本剪纸工艺制作出超强轻质结构麻省理工学院的研究人员利用日本的剪纸和折纸艺术-Kirigami，开发出了具有可调机械性能（如刚度和柔度）的超强轻质材料。这些材料可用于飞机、汽车或航天器。图片来源：研究人员提供麻省理工学院的研究人员修改了一种常见的折纸折痕图案，使波纹结构的尖点变成了刻面。这些刻面就像钻石上的刻面一样，提供了平坦的表面，可以用螺栓或铆钉更方便地将板材固定在上面。图片来源：研究人员提供麻省理工学院的研究人员利用日本古老的折纸和剪纸艺术-Kirigami，制造出了一种名为"板格"的高性能结构材料，其规模远远超过了科学家们之前通过添加剂制造所能实现的规模。这项技术使他们能够用金属或其他材料制造出具有定制形状和特别定制机械性能的这些结构。"这种材料就像钢软木。它比软木轻，但具有高强度和高刚度，"麻省理工学院比特与原子中心（CBA）负责人尼尔-格申菲尔德（NeilGershenfeld）教授说，他是有关这种方法的一篇新论文的资深作者。研究人员开发了一种模块化制造工艺，在这种工艺中，许多较小的部件被成型、折叠并组装成三维形状。利用这种方法，他们制造出了超轻、超强的结构和机器人，在特定载荷下，它们可以变形并保持形状。研究人员通过在顺应面上张紧钢丝，然后将其连接到滑轮和电机系统，从而驱动波纹结构，使其能够向任一方向弯曲。图片来源：研究人员提供由于这些结构重量轻、强度高、刚度大，而且相对容易大规模生产，因此在建筑、飞机、汽车或航空航天部件中特别有用。与格申菲尔德一起撰写论文的还有共同第一作者、CBA研究助理阿方索-帕拉-鲁比奥（AlfonsoParraRubio）和麻省理工学院电气工程与计算机科学研究生克拉拉-蒙迪洛娃（KlaraMundilova），以及CBA研究生大卫-普雷斯（DavidPreiss）和麻省理工学院计算机科学教授埃里克-德梅因（ErikD.Demaine）。该研究成果在美国机械工程师学会工程计算机与信息大会上发表。像晶格这样的结构材料经常被用作一种复合材料的核心，这种复合材料被称为三明治结构。要设想夹层结构，可以想象一下飞机机翼，在机翼上，一系列相交的对角梁构成了夹在顶部和底部面板之间的网格核心。这种桁架结构具有很高的刚度和强度，但重量却很轻。板格是由板而不是梁的三维交叉组成的蜂窝结构。这些高性能结构的强度和刚度甚至超过了桁架晶格，但由于其形状复杂，使用3D打印等普通技术制造它们具有挑战性，尤其是在大规模工程应用中。麻省理工学院的研究人员利用桐纸克服了这些制造难题，桐纸是一种通过折叠和切割纸张来制作3D形状的技术，其历史可追溯到7世纪的日本艺术家。研究人员利用他们的方法制造出了压缩强度超过62千牛顿的铝结构，但每平方米的重量仅为90千克。图片来源：研究人员提供Kirigami已被用于利用部分折叠的之字形折痕制作板格。但要制作夹层结构，必须将平板连接到波纹芯材的顶部和底部，再连接到人字形折痕形成的窄点上。这通常需要强力粘合剂或焊接技术，从而导致组装速度慢、成本高，而且难以扩大规模。麻省理工学院的研究人员修改了一种常见的折纸折痕图案，使波纹结构的尖点变成了刻面。这些刻面就像钻石上的刻面一样，提供了平整的表面，可以用螺栓或铆钉更方便地将板块固定在上面。ParraRubio说："在重量和内部结构保持不变的情况下，板晶格在强度和刚度方面优于梁晶格。通过使用双光子光刻技术进行纳米级生产，理论刚度和强度已达到H-S上限。板晶格的构建非常困难，因此在宏观尺度上的研究很少。我们认为，折叠是一条更容易利用金属制成的这种板状结构的途径。"此外，研究人员设计、折叠和切割图案的方式使他们能够调整某些机械性能，如刚度、强度和弯曲模量（材料的抗弯倾向）。他们将这些信息以及三维形状编码成折痕图，用来创建这些叽里纸波纹。例如，根据褶皱的设计方式，可以对一些细胞进行塑形，使其在压缩时保持形状，而对另一些细胞进行修改，使其弯曲。通过这种方式，研究人员可以精确控制结构的不同区域在压缩时的变形情况。由于可以控制结构的灵活性，这些波纹可用于机器人或其他具有移动、扭曲和弯曲部件的动态应用中。为了制作像机器人这样的大型结构，研究人员采用了模块化组装工艺。他们批量生产较小的折痕图案，并将其组装成超轻、超强的三维结构。较小的结构具有较少的折痕，从而简化了制造过程。研究人员利用经过改良的三浦织图案，创造出一种能产生所需形状和结构特性的折痕图案。然后，他们利用一台独特的机器--Zund切割台--切割出平整的金属板，并将其折叠成三维形状。"要制造汽车和飞机等产品，需要在模具上投入巨资。这种制造工艺不需要工具，就像3D打印一样。但与3D打印不同的是，我们的工艺可以设定记录材料特性的极限，"格申菲尔德说。利用他们的方法，他们制造出的铝结构压缩强度超过62千牛顿，但每平方米重量仅为90千克。(软木每平方米重约100千克）他们的结构非常坚固，可以承受的力是普通铝波纹的三倍。这种多用途技术可用于钢材和复合材料等多种材料，因此非常适合生产飞机、汽车或航天器的轻质减震部件。不过，研究人员发现，他们的方法可能难以建模。因此，他们计划在未来为这些叽里格米板格结构开发用户友好的CAD设计工具。此外，他们还希望探索各种方法，以降低模拟设计所需性能的计算成本。帕拉-卢比奥、蒙迪洛娃和其他麻省理工学院的研究生还利用这种技术用铝复合材料制作了三件大型折叠艺术品，并在麻省理工学院媒体实验室展出。尽管每件作品都长达数米，但这些结构的制作只用了几个小时。"归根结底，艺术作品之所以成为可能，是因为我们在论文中展示了数学和工程方面的贡献。但我们也不想忽视我们作品的美学力量，"ParraRubio说。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1384883.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1384883.htm