形状可变超材料能够在柔性机器人和可穿戴系统中实现可编程形变，但其柔顺性往往与刚度、承载能力和形态保持相互制约。南洋理工大学王一凡副教授研究团队受天然缝合结构启发，在离散颗粒之间引入双稳态互锁关节，使结构可通过拉索驱动完成形变，并在驱动撤除后依靠颗粒间的机械互锁保持目标形态和高刚度。该工作进一步展示了复杂三维曲面、可折叠头盔以及肘部、腕部和膝部穿戴结构，呈现了颗粒超材料在可变形系统，适应性防护与康复辅助中的应用潜力。

  2026年9月10日，相关研究以Suture-Inspired Interlocking Metamaterials for Energy-Efficient Morphing为题发表在Advanced Functional Materials上。

图1 研究概览：从天然缝合互锁结构与双稳态关节设计，到曲面离散、颗粒组装和可折叠防护穿戴原型。

  许多形状可变结构依靠软材料弹性、结构失稳或外界刺激完成形变。结构越柔软，通常越容易弯曲和贴合；但在目标形态下，其刚度和承载能力也容易受到限制。已有颗粒组装方法通过柔性纤维或拉索连接离散颗粒，并利用电热或肌腱式驱动产生约束力，使颗粒靠拢并形成预设形状。这类方法具有较大的形变范围和快速的刚度变化，但组装后的形态和刚度往往依赖持续驱动或外部约束。驱动一旦撤除，离散颗粒便可能失去稳定连接。

  本研究关注的核心问题不是让组装过程完全不消耗能量，而是实现完整的“移动并保持”过程：能量仅在形变和组装阶段短暂输入，目标构型形成后则不再需要持续供能或外部夹持。由此，结构能够在未组装时保持柔顺和易于收纳，在组装后获得稳定的形态、刚度与承载能力。

双稳态互锁关节

  研究团队从马齿苋种皮、甲虫鞘翅、菊石隔壁和动物颅骨等天然缝合结构中提取互锁特征，并将其简化为适合颗粒化设计与三维打印的圆弧关节。单圆关节可在柔顺的分离状态与刚性的互锁状态之间直接切换；双圆关节则引入一个可滑移和转动的中间稳定态，使相邻颗粒在保持连接的同时仍能顺应曲面，继续拉动后再进入完全互锁状态。

  拉拔实验与有限元模拟表明，切线角、圆弧半径比和关节间隙能够系统调节互锁强度、能量壁垒和弯曲性能。以五颗双圆关节颗粒组成的直梁为例，中间态组装力约为5 N，完全组装所需峰值约为20 N，可由手动拉线实现；每次颗粒发生双稳态跃迁后，驱动力都会明显下降，从而避免组装力随颗粒数量简单累积。完全互锁后，弧形梁在剪断驱动线的情况下仍可承受500 g载荷，超过其约8 g自重的60倍，说明载荷保持主要来自颗粒间的机械互锁。

从颗粒关节到三维曲面

  为将局部互锁机制扩展到可编程形态，团队建立了曲面离散设计流程：先参数化目标曲面并进行网格划分，再将互锁关节映射到颗粒边界，完成三维修剪和关节插入，最后将颗粒展平为可打印布局。这样，目标几何、颗粒数量、关节方向和局部曲率可以在同一框架中协同设计。研究中展示了半圆柱、穹顶和马鞍面等不同曲率特征的结构。颗粒完成互锁后，三维网络中的交叉连接路径能够在多个方向传递和分散载荷，其中穹顶在约45 N载荷下仍未出现明显坍塌，马鞍面则在约40 N附近呈现稳定的力平台。

图2 拉索驱动的颗粒连续组装、互锁后的载荷保持，以及半圆柱、穹顶和马鞍面等三维曲面演示。

面向可穿戴防护的概念验证

  在应用层面，研究团队将双圆互锁颗粒用于可折叠头盔原型。柔顺状态下，头盔可折叠并装入薄文件袋，其厚度比展开状态降低三倍以上；拉动钢丝后，颗粒在10 s内完成组装并形成稳定的头盔形态。该原型质量约177 g，在完全互锁后可承受4 kg载荷，即超过自身重量22倍，并在196–588 mJ的受控低能级落球冲击测试中表现出冲击衰减能力。与无防护结构相比，其刚性状态下的峰值冲击力降低约90%；在相同测试条件和传感器布置下，其测得冲击力也低于所选商用头盔对照。

  这些结果展示了互锁颗粒结构兼顾便携收纳、快速部署与冲击衰减的潜力。通过简单拉线，柔顺的折叠结构即可转变为稳定的承载形态，并在撤除驱动后持续保持，为日常携带和按需使用的防护穿戴设备提供了新的设计思路。未来，结合材料选择与结构优化，这一架构有望进一步提升承载和抗冲击性能，拓展其在适应性防护与康复辅助领域的应用。

  同一设计框架还被扩展至肘部、腕部和膝部。通过扫描身体表面、离散曲面并匹配颗粒关节，穿戴结构在未组装时保持柔软，便于自然活动；在需要时通过手动拉线变硬并维持目标姿态。此类可重构结构有望用于运动或户外活动受伤后的临时关节稳定、转运过程中的冲击缓冲，以及可拆卸和可重复使用的康复固定装置。

图3 可折叠头盔及肘部、腕部和膝部可重构穿戴结构的设计、组装与受控冲击测试。

  这项工作以颗粒尺度的双稳态互锁为切入点，将主动形变与被动保持分离：绳驱负责快速组装，互锁关节负责在驱动撤除后保存形态和承载状态。单圆与双圆关节提供了不同的状态切换方式，曲面离散算法则把局部连接规则扩展到复杂三维几何。由此形成的“柔顺收纳—快速部署—刚性保持”能力，为适应性防护、可拆卸康复固定和未来可在软硬状态间切换的穿戴系统提供了新的设计思路。

  论文信息

  论文题目：Suture-Inspired Interlocking Metamaterials for Energy-Efficient Morphing

  期刊：Advanced Functional Materials, 2026, e78343

  作者：Yu Chen, Xudong Yang, Junwei Li, Tianyu Chen, Yuzhe Wang, and Yifan Wang

  原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.78343

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