南極熊導讀：3D打印不僅正在革新制造方式，更在推動基礎科學原理的實驗驗證。

△視頻

2025年4月30日，南極熊獲悉，來自荷蘭的AMOLF研究所與ARCNL（阿姆斯特丹先進納米光刻研究中心）的研究人員聯合在《美國國家科學院院刊》（PNAS）發表了一篇引人關注的論文，題為《Exotic mechanical properties enabled by countersnappinginstabilities（對抗不穩定性帶來的奇異機械特性）》。他們在實驗中借助3D打印翻模技術制造柔性硅膠構件，成功構建出一種看似違反直覺的力學結構：單個部件在拉伸時會正常變長，但當多個這樣的部件以特定方式連接后，整個系統反而會在拉伸時發生“突然收縮”。

這一令人驚訝的“反向咬合”（countersnapping）現象，不僅挑戰了人們對力-位移關系的傳統認知，還揭示了3D打印技術在實驗力學、智能結構和機械超材料設計中的巨大潛力。南極熊注意到，該研究團隊在構建這些反常行為結構的過程中，采用了PolyJet 3D打印技術制作模具，并以高彈性硅膠材料進行翻模成型，展示了3D打印在非線性材料與復雜幾何驗證方面的關鍵作用。

從不穩定性到功能性：捕捉“反向咬合”現象

在自然界與工程結構中，結構不穩定性常常被視為不可控的破壞源，如雨傘在大風中翻轉、柱體屈曲等。然而近年來，材料科學家和機械工程師越來越多地意識到，這些非線性行為其實蘊含著可編程的潛力，特別是在可變剛度結構、軟體機器人、能量吸收材料等領域，正在形成一股“利用不穩定性”的研究浪潮。

此次由AMOLF與ARCNL團隊提出的“反向咬合”現象，正是在此背景下誕生。與傳統的“咬合不穩定”不同——后者表現為拉伸下的突發延伸、壓縮下的突發收縮——反向咬合是一種違反直覺的響應方式：系統在外力拉伸增強時，反而突然發生縮短。這一反常行為不僅首次在實驗中被清晰實現和觀察，更被系統性地量化為力-位移曲線中清晰的自相交特征，具有深遠的理論和應用價值。

△組合非線性力學構件實現反向卡扣不穩定性

△反向扣合行為的實驗觀察

構建“反常”力學的背后：3D打印+軟體硅膠材料

南極熊了解到，為了實現這一高度精密的力學結構，研究團隊采用了一套“3D打印翻模+多元模塊組裝”的工藝路線。

首先，他們基于非線性彈性理論設計出三類構建塊：軟化型、硬化型和非單調型彈性單元。這些構件分別具備特定的力-位移響應特征，核心結構包括V形彎曲梁、菱形折疊梁等，均以幾何非線性變形為基礎。

隨后，研究人員利用Stratasys Eden260VS PolyJet打印機打印出高分辨率的透明模具，并將高柔性硅膠材料Smooth-Sil 945注入模具中固化，從而制得高一致性的彈性構件。這些構件最終被裝配成5單元彈簧網絡，通過3D打印制作的連接件進行組裝，構成整個“反向咬合結構”。

這種方式充分體現了3D打印在自由形態、微結構控制與模具制造方面的優勢，為探索復雜力學現象提供了實驗基礎。

實驗驗證：“被拉伸時縮短”的真實物理表現

研究團隊通過三類實驗裝置，系統性觀察并驗證了“反向咬合”現象：

1. 位移控制實驗：通過拉伸平臺緩慢拉伸結構，發現當拉伸超過臨界值時，系統突然收縮，同時反作用力迅速躍升。該現象在力-位移曲線中表現為典型的“自交型突變”特征，驗證了反咬合的存在。

2. 力控制實驗：通過向懸掛裝置中緩慢注水加載，結構在某一瞬間突然縮短，導致懸掛質量“被彈起”，從而間接證明結構內部的力學耦合發生突變。

3. 混合驅動實驗：在復合加載條件下，結構表現出“從靜止中突然躍起”的響應，這一行為顯示出反向咬合機制具有方向一致、增量驅動特性，可用于機械邏輯或軟體機器人的執行結構中。

延伸應用：粘滑運動、可編程剛度與振動抑制

值得注意的是，研究團隊不僅實現了反常結構的設計與驗證，更探索了其在功能材料領域的潛在應用。例如：

1. 單向粘滑驅動：相比普通卡扣結構在來回拉伸中抵消位移，反向咬合結構在一個周期內會發生兩次相同方向的形變，使得系統可在無反饋控制的前提下實現方向一致的增量位移，有望應用于軟體機器人微步推進器或微位移執行器。

2. 可編程剛度切換：通過控制結構狀態切換，系統在相同受力與位移條件下可實現不同剛度的調節，這種“狀態不變而性能切換”的能力，為可調諧濾波器、被動減震器等器件提供了新思路。

3. 共振自避與智能材料：反向咬合結構可以在共振激發下“自動跳轉”至非共振狀態，從而實現系統在高振動環境中的自適應保護功能。這種機制對于結構健康監測、航天結構抗振動設計具有實際意義。

△單向粘滑行為的實驗觀察

△演示可編程和自切換剛度的實驗。

△實驗觀察到的反向扣合超材料的集體行為

機械超材料新方向：從單元到陣列的響應進化

更進一步，南極熊注意到，研究人員還設計并測試了由多個反咬合單元組成的并聯或串聯超材料結構。在并聯配置中，不同單元可按設計順序依次響應，構成可編程變剛度材料；在串聯配置中，結構會因單元觸發而產生“雪崩式響應”，實現全局狀態突變與集體切換。

△串聯反向扣合元件中的雪崩轉變

這類基于反向咬合單元的超材料，不僅提升了力學性能的多樣性，還為構建機械邏輯器件、彈性計算系統奠定了新思路。

南極熊觀察：3D打印賦能力學探索的邊界

通過本次研究成果可以看出，3D打印不僅是工業制造工具，更是基礎科學實驗和力學理論驗證的重要平臺。無論是高精度模具、復雜結構設計，還是材料快速成型、參數迭代優化，增材制造在探索物理邊界與構建未來智能結構方面發揮著不可替代的作用。

研究團隊在結構中所用的所有構件，都是以3D打印為“核心平臺”，再借助硅膠等柔性材料進行功能實現。這種跨界融合的實驗范式，將有助于推動結構力學—材料科學—智能系統的深度融合。

未來，類似“反向咬合”這樣的非線性行為，或許將在可穿戴設備、自適應建筑、太空展開結構等領域獲得實際應用，而3D打印無疑將繼續作為探索“材料功能性與幾何邏輯”的關鍵橋梁。

參考文獻：https://doi.org/10.1073/pnas.2423301122

南極熊近期熱文：

對3D打印專業人士的通知：

△掃碼打開南極熊網站，微信設置星標☆，或者用手機瀏覽器打開后設置到手機桌面