在最近的研究中，科罗拉多大学博尔德分校和桑迪亚国家实验室的工程师们开发出了一种能承受巨大冲击的新型衬垫设计。该团队的创新成果可以在市面上的 3D 打印机上打印出来，有朝一日可能会应用于从运输箱到足球垫等任何有助于保护易碎物体或人体免受生活中的撞击的物品中。
在实验室测试中，新设计的衬垫（右图）的性能优于更传统的技术，如用相同弹性材料制成的泡沫（左图）。资料来源：劳伦斯-史密斯
该团队在最近发表于《先进材料技术》杂志上的一篇论文中介绍了这项技术。
这项研究的通讯作者、中大博尔德分校 Paul M. Rady 机械工程系助理教授 Robert MacCurdy 说："减缓冲击在任何地方都很重要。高速公路防撞栏、护膝和护肘以及包装设备中都有这种材料"。
这项研究重新审视了大多数人经常遇到却很少注意到的东西：泡沫。它们是充满无数小孔和通道的柔软材料。就像包装花生或压力球一样。MacCurdy 说，泡沫可以很好地吸收冲击力，但它们有一个很大的缺点：如果你用力挤压泡沫，它最终会压缩成硬块。
在实验室实验中，中大博尔德分校的工程师们用三维打印技术打印出新设计的衬垫，然后用一台强大的机器将其碾碎。该团队的作品经受住了冲击，吸收的能量是传统设计或相同材料制成的泡沫的数倍。资料来源：劳伦斯-史密斯
他和他的同事们认为他们可以做得更好。在这项新研究中，研究小组编写了计算机算法，精心重新设计了缓冲材料的内部结构--允许它们在受力时折叠，但只能按照精心设计的模式折叠。当研究小组在实验室对他们的设计进行测试时，他们发现他们的衬垫可以比目前最先进的技术多吸收多达 25% 的力。"用于吸收冲击的材料很重要，"MacCurdy 说，"但真正重要的是几何形状。"
要理解为什么有的坐垫效果好，而有的却不好，举例来说，赋予海绵弹性的就是那些小角落和小缝隙。当你挤压海绵时，这些空隙就会开始闭合，进而吸收能量。
一些工程师已经超越了这种基本设计。取而代之的是，他们用看起来有点像蜂窝的六角形塔或"板格"网络来制作衬垫。如果一名后卫撞上这种缓冲垫，冲击力会使蜂窝呈波浪状坍塌。这是一种更有效的吸收力的方法。
但 MacCurdy 指出，长期以来，研究人员一直在努力寻找符合黄金标准的衬垫--这种技术不仅能吸收很大的力，还能以同样的技巧吸收多种不同的力。
"如果你在骑车时发生碰撞，你不知道是低速撞击还是高速撞击。但无论如何，你都希望头盔性能良好，"他说。"我们正试图开发一种在所有这些情况下都能表现良好的几何形状"。
为了制作一个用途更广的垫子，这位工程师和他的同事们选择重新布置这些物体的内部结构，最小的尺寸甚至只有一毫米。
研究小组首先使用定制软件布置了蜂窝网络，然后对其进行了调整，加入了一些扭结，有点像手风琴中的风箱。在撞击过程中，这些扭结有助于引导蜂窝向下收缩，从而使蜂窝更顺利地倒塌。
MacCurdy 说："当你开始压缩这些结构时，它们会吸收一定的力。最好的吸收器设计能在整个压缩范围内保持恒定的力"。
换句话说，与泡沫塑料不同的是，这些垫子无论怎么压都不会有任何变化，或者说，至少不会超过某个最大值。
研究人员还希望确保他们的衬垫能够经得起现实世界中的撞击和瘀伤。他们使用 3D 打印机，用一种名为热塑性聚氨酯的弹性材料制作出小砖块大小的垫块。然后，他们用冲击试验机对其进行挤压。
该研究小组发现，其块体吸收的能量大约是由相同材料制成的标准泡沫的六倍，比其他蜂窝设计吸收的能量最多多出 25%。MacCurdy 和他的同事们目前正在努力进一步改进他们的结构。他补充说，工程师们可以用许多不同类型的材料来制作这类设计，从弹性塑料到铝等较硬的物质。
编译来源：ScitechDaily