在最近的研究中，科羅拉多大學博爾德分校和桑迪亞國家實驗室的工程師們開發了一種能承受巨大衝擊的新型襯墊設計。該團隊的創新成果可以在市面上的3D 列印機上列印出來，有朝一日可能會應用於從運輸箱到足球墊等任何有助於保護易碎物體或人體免受生活中的撞擊的物品。

在實驗室測試中，新設計的襯墊（右圖）的性能優於更傳統的技術，例如用相同彈性材料製成的泡棉（左圖）。資料來源：勞倫斯-史密斯

該團隊在最近發表於《先進材料技術》雜誌上的一篇論文中介紹了這項技術。

這項研究的通訊作者、中大博爾德分校Paul M. Rady 機械工程系助理教授Robert MacCurdy 說：”減緩衝擊在任何地方都很重要。高速公路防撞欄、護膝和護肘以及包裝設備中都有這種材料”。

這項研究重新審視了大多數人經常遇到卻很少注意到的東西：泡沫。它們是充滿無數小孔和通道的柔軟材料。就像包裝花生或壓力球一樣。MacCurdy 說，泡沫可以很好地吸收衝擊力，但它們有一個很大的缺點：如果你用力擠壓泡沫，它最終會壓縮成硬塊。

在實驗室實驗中，中大博爾德分校的工程師們用三維列印技術列印出新設計的襯墊，然後用一台強大的機器將其碾碎。團隊的作品經受住了衝擊，吸收的能量是傳統設計或由相同材料製成的泡沫的數倍。資料來源：勞倫斯-史密斯

他和他的同事認為他們可以做得更好。在這項新研究中，研究小組編寫了電腦演算法，精心重新設計了緩衝材料的內部結構–允許它們在受力時折疊，但只能按照精心設計的模式折疊。當研究團隊在實驗室對他們的設計進行測試時，他們發現他們的襯墊可以比目前最先進的技術多吸收多達25% 的力量。”用於吸收衝擊的材料很重要，”MacCurdy 說，”但真正重要的是幾何形狀。”

要理解為什麼有的坐墊效果好，而有的卻不好，舉例來說，賦予海綿彈性的就是那些小角落和小縫隙。當你擠壓海綿時，這些空隙就會開始閉合，進而吸收能量。

一些工程師已經超越了這種基本設計。取而代之的是，他們用看起來有點像蜂窩的六角形塔或”板格”網絡來製作襯墊。如果一名後衛撞上這種緩衝墊，衝擊力會使蜂巢呈波浪狀坍塌。這是一種更有效的吸收力的方法。

但MacCurdy 指出，長期以來，研究人員一直在努力尋找符合黃金標準的襯墊–這種技術不僅能吸收很大的力，還能以同樣的技巧吸收多種不同的力。

“如果你在騎車時發生碰撞，你不知道是低速撞擊還是高速撞擊。但無論如何，你都希望頭盔性能良好，”他說。”我們正試圖開發一種在所有這些情況下都能表現良好的幾何形狀”。

為了製作一個用途更廣的墊子，這位工程師和他的同事們選擇重新佈置這些物體的內部結構，最小的尺寸甚至只有一毫米。

研究團隊首先使用客製化軟體佈置了蜂窩網絡，然後對其進行了調整，加入了一些扭結，有點像手風琴中的風箱。在撞擊過程中，這些扭結有助於引導蜂巢向下收縮，從而使蜂巢更順利地倒塌。

MacCurdy 說：”當你開始壓縮這些結構時，它們會吸收一定的力。最好的吸收器設計能在整個壓縮範圍內保持恆定的力”。

換句話說，與泡沫塑膠不同的是，這些墊子無論怎麼壓都不會有任何變化，或者說，至少不會超過某個最大值。

研究人員還希望確保他們的襯墊能夠經得起現實世界中的撞擊和瘀傷。他們使用3D 列印機，用一種名為熱塑性聚氨酯的彈性材料製作出小磚塊大小的墊塊。然後，他們用衝擊試驗機對其進行擠壓。

研究團隊發現，其塊體吸收的能量大約是由相同材料製成的標準泡沫的六倍，比其他蜂巢設計吸收的能量最多多出25%。MacCurdy 和他的同事目前正在努力進一步改進他們的結構。他補充說，工程師可以用許多不同類型的材料來製作這類設計，從彈性塑膠到鋁等較硬的物質。

編譯來源：ScitechDaily