CN109844444A - 基于空隙的超材料 - Google Patents

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Abstract

公开了一种多孔超材料，该多孔超材料包括内部具有多个空隙(103)的基体(101)，其中，有益内容物(104)被捕获于空隙(103)的至少一部分的每一个内，与基体(101)分离，从而向超材料的相应单元胞(100)提供与有益内容物(104)在至少一个空隙(103)内的存在相关联的预期预定特性。提出了所公开超材料的各种应用，包括装甲，这些装甲在空隙内局限有非牛顿流体或磁性颗粒二者之一，作为有益内容物。在使磁性颗粒经受旋转磁场时，磁性颗粒在空隙内旋转并获得角动量，从而提高装甲针对穿透的抵抗力。还公开了用于制造在内部空隙内局限有有益内容物的多孔超材料的系统和方法。

Description

基于空隙的超材料
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年9月8日提交的临时专利申请No.62/385,037的益处，据此在不引起否认的情况下以引证的方式将该申请全文并入。
技术领域
本公开涉及超材料领域。
背景技术
超材料及其机械和电磁特性在研究和工业这两者中备受关注。新制造方法和设计的开发和使用已经产生具有用于种种不同领域和应用中的特性的超材料。当前发展基于形成超材料的方法、化学制品以及组成已经产生在超材料的骨架结构方面的、超材料的高级特性。
发明内容
所公开主题的第一广泛方面是包括如下面用示例的方式概述的特殊改进的超材料单元。
所公开主题的一个示例性实施方式是一种超材料单元，该超材料单元包括：基体，该基体包括多个单元胞；至少一个空隙，该至少一个空隙在多个单元胞中的至少一个单元胞内；有益内容物，该有益内容物被捕获在至少一个空隙内，从而向相应单元胞提供与在至少一个空隙内的有益内容物的存在关联的预期预定特性。
在各种示例性实施方式中，有益内容物与相应单元胞分离。
在各种示例性实施方式中，有益内容物是或包括流体。
在有益内容物是或包括流体的各种示例性实施方式中，流体是非牛顿的。
在各种示例性实施方式中，有益内容物是或包括至少一个刚性结构。
在各种示例性实施方式中，至少一个刚性结构是磁体或铁磁物体。如下文中将被称为所公开主题的第四方面，在其示例性实施方式的各种中，提出了一种装甲，该装甲包括超材料单元，该超材料单元在其单元胞空隙的至少一部分中具有磁体或铁磁物体，作为有益内容物。
在各种示例性实施方式中，至少一个刚性结构的脆度大于至少一个单元胞的脆度，使得当基体在外力的影响下变形时在基体保持完整的同时刚性结构可被压碎。
在各种示例性实施方式中，有益内容物是或包括至少一种流体和至少一个刚性结构。
在各种示例性实施方式中，捕获于至少一个空隙中的有益内容物在类型上与捕获于至少另一个空隙中的至少另一个有益内容物不同。
在各种示例性实施方式中，至少一个空隙在其中部中成型有缩窄部，使得由于缩窄部而延迟或阻止被捕获的有益内容物在给定力的影响下从第一空隙区域穿过所述缩窄部到第二空隙区域中的通过或流动。
在各种示例性实施方式中，基体包括围绕至少一个空隙的至少一部分盘绕的嵌入式金属线。
在各种示例性实施方式中，在与围绕至少一个空隙的至少一部分的盘绕金属线关联的该至少一个空隙中容纳的有益内容物是磁体，借此，在磁体在至少一个空隙中移动时，在所述嵌入式金属线中生成电磁信号。
在各种示例性实施方式中，基体空隙的至少一部分由在基体中形成的多个空隙通道联网，从而允许有益内容物从一个空隙穿过空隙通道到另一个空隙的通过。
在各种示例性实施方式中，在其结构上与基体的结构不同的至少一个连接元件在至少一对相邻空隙之间延伸，并且在其一对远端中的任一端处分别连接到捕获于各个所述空隙内的非流体有益内容物，使得非流体有益内容物由连接元件互连。
在各种示例性实施方式中，有益内容物是互锁元件，其中，至少一个空隙包括一个或更多个配对元件，该一个或更多个配对元件在尺寸和形状上被构造为在所述互锁元件与所述一个或更多个配对元件之间发生移动时与互锁元件配对，借此，超过预定阈值的负载在基体上的施加被构造为使得所述相对移动发生，并由此使所述互锁元件与所述一个或更多个配对元件互锁，从而即使在去除所述负载时，也将基体维持在变形状态。
在各种示例性实施方式中，有益内容物包括流体和物质，其中，流体和物质具有静止状态，借此，超材料在流体和物质处于静止状态时具有一个物理特性，其中，流体和物质具有非静止状态，借此，超材料在流体和物质处于非静止状态时具有第二物理特性。
在各种示例性实施方式中，有益内容物被构造为响应于至少一个单元胞被损坏而从至少一个空隙溢出。
在各种示例性实施方式中，有益内容物是染料，该染料被构造为引起指示对超材料单元造成的损坏进行着色。
在各种示例性实施方式中，有益内容物是润滑剂，该润滑剂被构造为响应于超材料单元被损坏而施加在超材料单元上。
在各种示例性实施方式中，有益内容物在预定温度范围内具有液态，其中，有益内容物在预定温度范围以上具有气态，其中，有益内容物被构造为在处于气态时在封包至少一个空隙的表面上施加压力，借此，超材料单元被构造为在暴露到超过预定温度范围的温度时改变其物理特性，物理特性的改变由于由有益内容物在封包至少一个空隙的表面上施加的压力引起。
所公开主题的第二广泛方面是如下面用示例的方式概述的、用于产生根据所述第一方面的超材料单元的系统。
在各种示例性实施方式中，公开了一种用于产生超材料的系统，系统包括：自动化机器，该自动化机器被构造为产生包括多个单元胞的基体，其中，多个单元胞中的每一个包括至少一个空隙；和自动化分发器，该自动化分发器被构造为将有益内容物分发到多个单元胞的至少一部分的相应空隙中，其中，所述自动化分发器被构造为在所述自动化机器产生空隙的至少一部分之后且在所述自动化机器封闭相应空隙之前将有益内容物分发到相应空隙中。
在各种另外示例性实施方式中，公开了一种用于产生超材料的系统，该系统包括具有3D打印头的3D打印机，该3D打印头由移位机构可控地可移动，以便构造包括多个单元胞的基体，各个单元胞包括至少一个空隙；系统以安装在所述移位机构上的自动化分发器为特征，该自动化分发器用于在由打印头逐步建立基体期间将预定剂量的至少一种有益内容物可控地排出到建造中的空隙中。
在所述系统的各种示例性实施方式中，至少一种有益内容物与由所述3D打印头挤出的材料不同，其中，至少一种有益内容物被构造为不随着材料扩散(即，不扩散)，从而使用3D打印头产生在内部空隙中包括已分离有益内容物的固体基体材料。
在其他各种另外示例性实施方式中，公开了一种用于产生超材料的系统，该系统包括：浇铸设备；模具，该模具被构造为产生在其至少一个表面上具有凹口的基体的一个或更多个层，该凹口构成建造中的空隙；自动化分发器，该自动化分发器紧靠着凹口可移动，以便将至少一种有益内容物分发到凹口中。
在各种示例性实施方式中，系统还包括焊接或粘合单元，该焊接或粘合单元被构造为将多个基体层彼此上下地合并，使得呈现有由分发器排出在第一层上的有益内容物的凹口变得被从上方焊接或粘合的下一基体层的匹配底部所封闭。
在第三广泛方面中，所公开主题包括如下面用示例的方式概述的超材料单元的产生方法，这些超材料单元包括特殊改进。
这里公开了一种用于制造超材料的方法，该方法包括以下步骤：
(i)产生包括多个单元胞的基体，其中，多个单元胞中的每一个包括至少一个空隙，其中，对于所述多个单元胞中的各单元胞而言，所述制造包括：
(ii)产生单元胞的初始部分，其中，初始部分包括单元胞的相应空隙的初始部分，其中，在初始部分中，存在通向相应空隙的外部通路；
(iii)将有益内容物分发到相应空隙的初始部分中；以及
(iv)完成单元胞，其中，所述完成包括封闭相应空隙并阻碍通向其的外部通路。
公开了另一种用于制造超材料的方法，该方法包括以下步骤：
(i)由3D打印机打印基体层并在其表面上设置构成建造中的空隙的凹口；
(ii)使自动化分发器紧靠凹口移动，并且将至少一种有益内容物分发到所选凹口中；
(iii)继续基体的打印，直到凹口变成封闭空隙为止；
(iv)重复步骤(i)至(iii)，直到基体达到预期预定设计为止。
公开了又一种用于制造超材料的方法，该方法包括以下步骤：
(i)设置用于一次浇铸基体的一层或更多层的模具；
(ii)浇铸多个基体层，该基体层在层的两侧上或其一侧上具有构成建造中的空隙的凹口；
(iii)设置自动分发器，该自动分发器用于将至少一种有益内容物引入到凹口中；
(iv)将多个层彼此上下地合并，使得呈现有第一层上的有益内容物的凹口变得被从上方焊接或粘合的下一层的匹配底部所封闭。
在所公开主题的第四广泛方面中，公开了一种装甲，该装甲包括根据所述第一广泛方面的至少一个超材料单元。
在装甲的各种示例性实施方式中，非牛顿流体构成超材料的单元胞中的至少一个单元胞的空隙内的有益内容物。
在装甲的各种示例性实施方式中，微磁体构成超材料的单元胞中的至少一个单元胞的空隙内的有益内容物。
在各种示例性实施方式中，装甲由包括基体的超材料单元组成，其中，基体包括多个单元胞，其中，多个单元胞中的各单元胞包括空隙，其中，各空隙包括一个或更多个磁性颗粒。
在各种示例性实施方式中，装甲还装配有至少一个电磁搅拌器，该至少一个电磁搅拌器被构造为向超材料单元提供交变电磁场，该交变电磁场用于使在多个单元胞的各空隙中的一个或更多个磁性颗粒旋转。
在所公开主题的第五广泛方面中，公开了一种用于操作具有被动和主动保护状态的装甲的方法，该方法包括以下步骤：
(i)使装甲处于被动保护状态；
(ii)获得与威胁的严重级别关联的指示；
(iii)响应于威胁的严重级别超过阈值的指示，旋转装甲内部的微观结构，借此，在主动保护状态下操作装甲。
词汇表
在本公开的背景下且除非另外具体注释，否则以下术语具有以下含义：
术语“超材料”指被设计为具有期望特性的物质。在一些情况下，超材料由预定分子组成和/或混合物制成，该分子组成和/或混合物构成边界结构且具有预定重复特性的骨架设计(下文中被称为“基体”)。基体被构造为向超材料提供预定期望特性，诸如物理特性、机械特性、电磁特性等。在一些示例性实施方式中，期望特性可以将超材料(至少理论上)与在质量上类似且具有相同分子组合但缺乏相同骨架设计的材料的物理特性却分。
术语“基体”指超材料在其实际(准备使用的)骨架结构中的物质。在超材料物质是复合材料的情况下，术语基体包括任意嵌入式增强相和有关中间相。
术语“重复特性”指基体的特性，这些特性使得从物体中的分开位置采样的超材料样本与采样位置实质无关地响应给定测试协议。
术语“多孔超材料”指在基体中具有空隙的超材料，这些空隙足够宽敞，以便将有益内容物以免于黏结到基体的方式进行容纳。在一些情况下，空隙由基体彼此隔离。另外或另选地，多个空隙可以由借助基体而预制的空隙通道联网。
术语“空隙通道”指由基体部分地分离的两个遥远空隙(但如果其间不存在空隙通道，则将被基体材料完全分离)之间连接的空隙。术语“联网空隙”指借助一个或更多个空隙通道连通的所有空隙。
术语“有益内容物”指在多孔超材料的生成过程期间或之后被引入到多孔超材料的至少一个空隙中的任意物质，并且该物质向多孔超材料提供相同多孔超材料在没有这种引入的情况下将缺乏的、用于预期用途的有利特性。应注意，不限制在同一超材料内的有益内容物的类型数量。一种或更多种物质可以被引入到同一块物体的空隙中，或者每空隙一种或空隙内为多种的混合物，这贯穿块具有任意期望的分布图案。
术语“相互作用相”指封装空隙并与从而局限的有益内容物相互作用的、基体的一部分。
还被称为“代表性体积元”(缩写为RVE)的术语“单元胞”指上面可以进行将产生代表整体的值的测量的最小体积。在一些示例性实施方式中，超材料的RVE保持超材料的期望特性，并且可以与从其获得RVE的超材料中的采样位置无关。
术语“未变形构造”和术语“参考构造”意指相同，并且指考虑中的主体和/或材料在考虑者认为正常的预定外部条件下采取的构造。
术语“当前构造”指考虑中的主体和/或材料在考虑者认为异常的预定外部条件(诸如超过预定阈值的负载的施加)下采取的构造。
术语“刚性结构”和术语“颗粒”意指相同，并且指在以存在多个时既不构成液体的一部分也不液化的物质的独立单元。
术语“磁性的”指物体为磁体或能够借助外部磁场的提供来磁化。
术语“基体部分”指基体没有有益内容物的部分。在一些情况下，基体部分在尺寸上对于要在它上面表达的重复特性可能太小。
附图说明
本所公开的主题将从连同附图采取的以下详细描述来更完全地理解并领会，在附图中，对应或同样的附图标记指示对应或同样的部件。除非另外指示，否则附图提供本公开的示例性实施方式或方面，并且不限制本公开的范围。在附图中：
图1例示了根据所公开主题的一些示例性实施方式的超材料基体的单元胞；
图2A和图2B例示了根据所公开主题的一些示例性实施方式的超材料基体的单元胞；
图3A和图3B例示了根据所公开主题的一些示例性实施方式的超材料基体的单元胞；
图4A和图4B例示了根据所公开主题的一些示例性实施方式的超材料基体的单元胞；
图5A和图5B例示了根据所公开主题的一些示例性实施方式的超材料基体的单元胞；
图6A和图6B例示了根据所公开主题的一些示例性实施方式的超材料基体的单元胞；
图7A和图7B例示了根据所公开主题的一些示例性实施方式的超材料基体的单元胞；
图8例示了根据所公开主题的一些示例性实施方式的超材料基体的单元胞；
图9A至图9C例示了根据所公开主题的一些示例性实施方式的超材料基体的单元胞；
图10A和图10B例示了根据所公开主题的一些示例性实施方式的超材料基体的单元胞；
图11A和图11B例示了根据所公开主题的一些示例性实施方式的超材料基体的单元胞；
图12A和图12B例示了根据所公开主题的一些示例性实施方式的超材料基体的单元胞；
图13例示了根据所公开主题的一些示例性实施方式的、用于产生超材料的打印设备；以及
图14A至图14C例示了根据所公开主题的一些示例性实施方式的、如在超材料的产生过程期间示出的基体层。
具体实施方式
由所公开主题解决的一个技术问题是向超材料提供在基体材料和结构图案的最小介入的情况下选择要应用于超材料的有利特性。
一个技术方案公开了新类型的多孔超材料，这些超材料的特征在于有益内容物容纳在多孔超材料的至少一个单元胞内的至少一个空隙内。
将有益内容物引入到多孔超材料的一个或更多个空隙中可以服务若干目标中的一个或更多个，诸如但不限于：
(i)使超材料的机械响应适于预期用途；
(ii)使超材料的电磁特性适于预期用途；
(iii)检测、采样超材料内部的物理条件或对其做出反应；
(iv)检测、采样超材料所经历的外部条件或对其做出反应；
(v)在不实质影响超材料的其他特性的情况下控制超材料的质量；
(vi)消除不期望物质(例如，空气)在空隙中的存在或使其最小化；
(vii)(i)至(iv)中的两个或更多个的组合。
在本所公开的新类型的超材料的各种实施方式中，局限于超材料的至少一个空隙中的有益内容物的至少一部分至少在超材料的参考构造中为流体的。
在本所公开的新类型的超材料的各种实施方式中，在超材料的至少一个空隙中容纳的有益内容物的至少一部分是给定非流体结构的物质。
在本所公开的新类型的超材料的各种实施方式中，在超材料的至少一个空隙中容纳的有益内容物的至少一部分包括多个非流体结构。
在本所公开的新类型的超材料的各种实施方式中，在超材料的至少一个空隙中容纳的有益内容物的至少一部分不与超材料扩散或混合。
所公开主题可以提供超过任意已有技术或之前在领域中已经变成例行或惯例的任意技术的一个或更多个技术改进。
另外的技术问题、解决方案以及效果可以鉴于本公开对本领域普通技术人员明显。
图1在半透明立体图中例示了单元胞100的示意图，根据所公开主题的超材料由多个单元胞组成。单元胞由形成基体部分的物质(诸如101)组成。基体部分101在物质中包含空隙103。空隙103被相互作用相102围绕。相互作用相102可以是由面向空隙的物质形成的基体部分层。另外或另选地，相互作用相102可以是涂层，该涂层根据所公开主题来特别施加，以便分隔空隙与物质，这作为可以从一个实施方式到另一个变化的设计问题。基体部分101包括被局限于空隙103内的有益内容物104。有益内容物104可以是物质。在一些示例性实施方式中，有益内容物可以是刚性或非刚性结构。另外或另选地，有益内容物104可以是以任意状态(诸如固体、液体、气体、等离子体等)提供的物质。
图2A和图2B分别例示了根据所公开主题的单元胞200的示意三维和二维剖面图。单元胞200包括物质201、在物质中的空隙203、以及构成有益内容物的在空隙203内部的结构204。结构204与基体分离，并且在尺寸上小于空隙，由此可以在空隙203内自由移动。在一些示例性实施方式中，如由正交箭头e1、e2以及e3暗示的，结构204可以沿空隙203内的任意方向自由移动。在单元胞200静止时，重力(由箭头g指示)使得结构204静止在还被称为相互作用相202的、物质201的底部上。相互作用相可以面向并包含空隙203。另外或另选地，相互作用相可以构成结构204可以与其相互作用的相互作用层。
在单元胞200的方位变化或其上施加的力变化时，结构204可以在空隙203内移动至不同位置。由于移动，或由于新位置，超材料的特性可能变化。由此，在一些示例性实施方式中，超材料可以在第一状态(例如，静止状态)下展示一组特性，并且在第二状态(例如，活动状态)下展示另一组特性。
由容纳在其未变形构造中自由移动的一个或多个结构204的多个单元胞组成的超材料具有由被容纳一个或多个结构204的多个独立运动产生的整体统计行为。这种统计行为可以导致不同机械特性为超材料相对于由箭头g表示的重力的方向的方位的函数。在空隙内部的结构可以被构造为根据超材料块相对于重力的向量的方位安放在相对于相互作用相202的预定位置和方位，因此，单元胞的特性可以变化，因为一个或多个结构与一个或多个空隙的相互作用相之间的接触和相互作用的性质可以相对于重力g的向量从一个方位到另一个不同。
向单元胞提供适当内容物可以在各种应用中(作为示例在防御装甲中)提供有利特性。如果在空隙内部自由移动，则一个或多个结构可以吸收大量动能，由此使碰撞装甲的物体减速，从而，在特定情况下，防止它们的穿透或降低它们的不利影响。
在仍然参照图2A和图2B的另一个实施方案中，结构204是磁性的。磁性结构可以提供超材料的可控特性。可以沿期望方向施加外部电磁场，磁性结构204因此可以改变其方位。由此，通过将电磁场的方向控制为在需要预期特性时实现这种特性，取决于结构204的方位的单元胞200的特性可以可控地变化。在一些示例性实施方式中，电磁场可以影响与结构204类似的多个磁性结构并产生状态的期望变更。另外或另选地，同一超材料内的一些磁性结构可以具有不同的磁性特性(例如，沿着不同轴线磁化)，因此可以受同一电磁场不同地影响。
在一些示例性实施方式中，通过施加循环电磁场(与它施加在电动马达或化学搅拌器中的方式类似)，可以使得结构204在空隙203内部转动或旋转。这种转动或旋转在包含磁性结构204的每一个单元胞中向超材料提供微角动量。这种微角动量可以用于许多应用中，例如，防御装甲。在用作制成装甲的超材料的超材料内部产生微角动量将增大内能，由此增大针对穿透的抵抗力。这允许装甲提供两种不同的保护模式：不使用电磁场的被动保护模式、和使用电磁场的动态保护模式。在一些示例性实施方式中，被动保护可以在未预期到威胁时使用。另外或另选地，一旦手动或自动地识别威胁，则可以启动动态保护。在一些示例性实施方式中，用户可以手动改变保护模式。另外或另选地，一旦例如由诸如雷达、照相机等的电子设备自动识别威胁，则可以启动动态保护。
图3A和图3B分别描绘了根据本所公开主题的单元胞的三维和二维剖面图。单元胞300包括基体部分301、被基体部分301包含的空隙303、以及在空隙303内部的有益内容物304。有益内容物304可以是流体、刚性结构、弹性结构、这些中的多个或混合物或悬浮液或组合、或设计者可以设计为为了实现期望特性而在空隙303中具有的任意其他形式的物质。基体301、空隙303以及有益内容物304的形状、材料以及尺寸可以作为设计问题来变化，并且可以被准备为提供用于预期用途的有利特性。
因为外部负载和/或其他条件施加到超材料上，并且分布直到单独单元胞301，所以有益内容物304与空隙的相互作用相302之间的相互作用因此可以以影响单独单元胞301的行为并因此将超材料单元的行为作为整体影响的方式变化。
在当前所公开类型的超材料的各种实施方式中，位于单元胞301内的有益内容物304在其正常(未变形)构造中在空隙303内部自由移动，因此本身既不受应力也不变形。随着外部负载和/或其他不规则条件的影响增大，有益内容物304的自由移动在空隙303内部变得越来越受限。在一些示例性实施方式中，在空隙303内部的压力可能增大，因此影响单元胞301中的行为、变形以及应力。另外或另选地，有益内容物304还可以鉴于这种修改而变形并受应力。这种操作的效果可以影响超材料的特性并提供要变得表达的期望特性。
仍然参照图3A和图3B，将描述单元胞300的另一个例示设计，该单元胞包括基体部分301、空隙303以及在空隙303内部的有益内容物。有益内容物304可以是流体、颗粒物质等。有益内容物304与空隙303的相互作用相302之间的相互作用向超材料提供一组一个或更多个特性，该组在参考构造(例如，静止构造)中具有第一相应组值，并且在当前构造中至少对于来自所述组的一个或更多个特性具有不同的相应值。如因此可以理解的，有益内容物304向超材料提供对外部条件的响应性。例如，超材料的承载特性可以响应于外部负载的施加。另外或另选地，特性可以响应于其他外部条件的修改。例如，有益内容物304可以是具有与基体部分301的物质的热膨胀特性不同的热膨胀特性的流体。这种构造可以产生超材料作为整体的热膨胀特性，这些热膨胀特性可以与在其空隙内未设置有有益内容物的类似超材料的膨胀特性不同。仍然参照由图3A和图3B例示的实施方式的另一个实施方案是将由多个这种单元胞组成的超材料用作装甲。在空隙303内部的有益内容物304可以具有以与基体部分301单独的方式不同的方式借助装甲抵抗物体的穿透的特性。有益内容物304和基体部分301的特性的该组合可以提供改进的装甲，该装甲可以潜在地比传统装甲更佳地抵抗穿透。作为又一个示例，为液体形式的有益内容物304可以响应在重力方向上的移位。液体可以由重力重新定位在空隙303中，这引起超材料的物理特性(诸如重量分布、重心等)的变化。
图4A例示了根据所公开主题的超材料的单元胞400。单元胞400包括基体部分401，该基体部分具有构成以液态容纳在空隙403中的有益内容物。液体404的体积小于空隙403的体积，留下使液体根据被使用的流体的热力学特性在预定温度下蒸发的余地。如图4B例示，热量的施加将使得流体在空隙内蒸发。因此，在环境温度增加超过被使用的流体的蒸发温度时，气体406可以在空隙403内膨胀，从而增大空隙403内对相互作用相402的压力，并且转而使得超材料更坚硬。由此，可以设计并制备具有对其温度变化的有利响应的超材料。
应注意，在其热力学特性上不同的流体可以以可以适于预期应用的分布图案被容纳在同一块超材料内的不同空隙中，以便在其不同部分处在不同温度范围内向超材料提供不同的坚硬程度。
在一些情况下，可以选择要使用的一种或更多种流体来将超材料设计为适合预期应用。作为非限制性示例，超材料可以用于产生随着温度升高而具有增大刚度的机械零件，从而补偿(或过补偿)针对基体材料本身的刚度在高温下的降低。
因此，可以理解，本公开拓宽设计者可以凭借升高温度下的需求刚度要求从其选择以便应用的超材料基体类型的集合。
图5例示了根据本所公开主题的超材料的单元胞500。空隙503由基体部分501来局限，并且相互作用相502面向该空隙。单元胞500包括被容纳在空隙503内的有益内容物504。有益内容物504可以是流体、气体、颗粒、刚性结构、或其组合等。本实施方式涉及的有利特性是，在基体由于使得空隙503的壁压碎的外部应力或碰撞而变得损坏的情况下的、有益内容物504从空隙503的潜在释放。空隙503充当将有益内容物504保持在内部的胶囊。随着单元胞500被损坏，物质被暴露并与环境反应。以下实施方式是有益内容物504的排出或溢出的可能用途的一些示例，作为所涉及的超材料单元的有利特性。各示例首先指定有益内容物504的类型，然后以应用并以因有益内容物504在超材料空隙503内的存在产生的优点继续。
在所公开主题的一些示例性实施方式中，油被局限在构成机械零件的基体的空隙503内部。机械零件在其操作期间(例如，作为机构中的零件)经受磨损和撕裂。一旦基体部分501以将空隙503暴露到环境的方式被损坏，则油如图5B例示的变得从空隙503释放并润滑环境，这减轻引起损坏的、零件与配对物之间的摩擦，从而延长零件的寿命。
在所公开主题的一些示例性实施方式中，被构造为引起指示对超材料单元引起的损坏的着色的识别颜色或染料局限在基体的空隙503内部。超材料单元可以构成在其操作期间(例如，作为机构中的零件)经受磨损和撕裂的机械零件。一旦基体部分501以将空隙503暴露到环境的方式变得损坏，则颜色或染料将溢出并因此提供磨损的信号，作为需要维护操作的实时警报。
在所公开主题的一些示例性实施方式中，能够与大气的一个或更多个成分反应的化学试剂被包含在基体内的单元胞500的空隙503中。基体可以是在其操作期间(例如，作为机构中的零件)经受磨损和撕裂的机械零件的一部分。一旦单元胞500以将试剂暴露到大气的方式被损坏，则试剂与来自大气的相关成分反应，并且基于由反应产生的复合材料产生期望效果。例如，设计者可以选择与周围成分、区域成分等反应的试剂，作为有益内容物504，以产生将将涂布并保护被损坏的区域以防快速劣化的坚硬疤痕状层。
在所公开主题的一些示例性实施方式中，诸如假塑性流体的非牛顿流体作为有益内容物504被包含在构成装甲零件的基体的空隙503中。基体作为第一防御程度以高应变速率吸收能量，而非牛顿流体作为第二防御等级吸收能量。
在所公开主题的一些示例性实施方式中，两种化学试剂被分开地包含在相邻的超材料空隙中，作为相应有益内容物。例如，一个空隙可以包含氧气，并且另一个空隙可以包含氢气。一旦基体以将相邻空隙暴露到环境(或暴露到彼此)的方式被损坏，则两种化学制品被释放并可能混合在一起并反应，以产生爆炸。
在根据所公开主题的各种示例性实施方式中，空隙被设计有几何形状，该几何形状被构造为控制有益内容物从空隙中的一个区域到另一个的流动、或通过的速率。作为示例，空隙可以在其中部中成型有缩窄部，使得由于缩窄部而延迟被捕获的有益内容物在给定力的影响下从第一空隙区域穿过所述缩窄部到第二空隙区域中的通过或流动。图6A例示了所公开主题的示例性实施方式，其中，单元胞600包括基体部分601内的空隙603。空隙603在其中部中具有缩窄部608，该缩窄部构成沙漏状轮廓并容纳由流体604和/或颗粒605组成的有益内容物(并且另选地为任意其他期望物质或多于一种物质的期望组合形式)。本实施方式涉及的有利特性是有益内容物604和/或605在基体的方位变化(例如，包含单元胞600的物体从所描绘方位倒置)时在空隙603内部的分布的时间依赖性。随着单元胞被倒置，所包含的有益内容物604和/或605将由于重力的影响而从空隙部607穿过沙漏颈部缩窄区域608流到空隙部606。由此，超材料将随着时间并根据有益内容物604和/或605的具体类型和特性来改变其特性。例如，假设流体是磁性的(或与磁性颗粒混合)且施加磁场，则单元胞600并因此和包含它的物体将通过随着流体从一个空隙区域流到另一个而变得以不同变形程度变形来响应外部应力。流动速率可以通过设计沙漏状空隙部606、608以及607的特定轮廓和尺寸以实现期望流率来预定。图6B例示了在有益内容物604的位置的变化已经开始但尚未达到静止模式的、非静止模式的单元胞600。在所公开主题的各种实施方式中，缩窄部608与至少一个有益内容物颗粒605相比足够窄，以便完全阻止被放置在空隙区域607或空隙区域606二者之一中的至少一个有益内容物605通过到另一个空隙区域(分别为606和607)。
在颗粒605对于通过缩窄部606太大的各种实施方式中，在第一空隙区域606中局限的颗粒605的数量大于它们在另一个空隙区域607中的数量的情况下，液体物质604从第一空隙区域606到另一个空隙区域607的流动速率可以小于其从空隙区域607返回到空隙区域606的流动速率(在同一力下，例如，在重力下且在倒置超材料单元时)。所述两个流动速率之间的差可以取决于缩窄部608的尺寸和轮廓、液体604与颗粒605之间的粘附等级、第一空隙区域606中的颗粒数量与它们在另一个空隙区域607中的数量之间的差等(并因此通过构造它们来预先控制)。
包括沙漏状空隙的超材料可以在需要延迟对致动的响应的机构中服务。例如，触发器、引爆装置、致动器。然而，将注意，代替沙漏的形状或除了沙漏的形状之外，还可以使用其他几何形状来实现控制有益内容物从一个空隙区域到另一个的流动的步伐的期望结果。
图7A例示了根据所公开主题的示例性实施方式，其中，单元胞700包括基体部分701内的空隙703。构成有益内容物的两种或更多种物质(例如，704和714)存在于空隙703内。物质中的一种例如可以是流体，并且另一种例如可以是固体物质(例如，为粉末或粉状形式的颗粒)。流体和固体物质可以具有静止状态。例如，在颗粒由比流体的成分更稠密的成分制成的情况下，在静止状态下，固体物质的颗粒由于重力而聚集在空隙703的底部处。因此，超材料在流体和另一种物质处于静止状态时可以具有一个物理特性。如图7B例示，流体和固体物质可以具有非静止状态。例如，非静止状态可以是固体物质的颗粒以悬浮方式贯穿流体分布的状态。因此，超材料在流体和物质处于非静止状态时可以具有第二物理特性。
本实施方式涉及的有利特性是包含单元胞700的物体对摇动或振动的响应。摇动或振动多相有益内容物将使得不同物质704、714混合并相互作用，这产生超材料的特性的临时变化，例如，在导电性方面、在透明度方面、在手性方面(例如，在固体物质的颗粒包括手性分子时)、在反射性方面和/或在作为设计和预期用途问题的任意其他方面。
这种多相有益内容物例如可以包括诸如微球体714和流体704的导电微粒，可以以微粒714的量与流体704的重量之间的实质固定比包含在空隙703中。通过测试单元胞700或超材料的导电性，可以确定包含基体或由基体构成的物体经历的振动或摇动等级。具有以上公开的设计的超材料块可以充当振动等级传感器。为了感测并测量不同等级范围的振动，设计者可以设计具有一系列单元胞的基体，各单元胞具有不同的尺寸空隙，并且填充有特定数量和类型的流体和颗粒。颗粒以及制成它们的材料的尺寸可以在同一空隙内变化，因此，在提及颗粒的“类型”时，不同材料的分布和平均特性值将被认为类型定义的一部分。
图8例示了根据所公开主题的示例性实施方式，其中，单元胞800包括借助空隙通道823互连的一对空隙803和813。空隙803和813中的每一个容纳颗粒有益内容物814，该有益内容物借助连接元件824互连到其在另一个空隙处的配对物。单元胞800还可以包括由空隙通道851-859互连的多个联网空隙833-838。空隙833-838和空隙通道851-859容纳作为有益内容物的流体804。本实施方式涉及的有利特性的第一示例是联网空隙在基体801中的遥远位置之间提供的连通，该连通对于应力和其他外部影响(例如，热量)在基体的遥远部分之间借助所包含流体804的流动实现的分布可以是有用的。
具有填充有有益物质的联网空隙的超材料的基体在需要从材料的一些部分向其他部分转移与变形或应变有关的信息(例如，以便触发操作，引爆炸药等)的应用中可以是有用的。
将应力分布在大内部体积上的超材料可以基于所公开的联网原理来设计。
图9A例示了根据所公开主题的示例性实施方式，其中，单元胞900的实施方式使磁性颗粒904作为有益内容物容纳在其空隙903内部。磁性颗粒904可以是磁体、或能够通过提供外部磁场而磁化的铁磁物体。
在根据所公开主题的各种实施方式中，通过以下方式产生超材料单元：首先在其空隙903的至少一部分的每一个内引入未磁化磁性元件(例如，基于烧结NdFeB的制剂)，然后将超材料单元引入到磁场，以便将已经容纳在其空隙904中的未磁化磁性元件磁化，从而将它们转换成永磁体。另外或另选地，磁性颗粒904被引入到已经具有其磁性特性的空隙903中。
磁性颗粒904在沿由箭头g指示的方向推动它的重力的影响下停留在空隙903的相互作用相的底部上。磁体可以其三维中的每一个具有不同的长度和宽度、迎风面积以及形状。例如，磁体可以被成形为具有3对平行面的矩形长方体。磁体的长度、宽度以及高度作为设计问题可以彼此不同，使得当在其高度以相对于超材料单元的第一预定方位安放时，它将在其顶端和底端这两者接触或几乎接触基体的情况下跨越空隙，从而提高基体针对在与磁体高度平行的方向上的压碎的抵抗力。沿特定方向(例如，如图9B例示，由箭头924指示的方向)施加静态磁场M将根据磁体的磁化方向控制磁性颗粒904相对于基体部分901的方位，由此可以对在其空隙中包含磁性颗粒的超材料块的弹性提供控制。
在所公开主题的各种实施方式中，磁体可以被成形为例如具有3对平行面的矩形长方体。磁体的长度、宽度以及高度可以在设计时不同，使得来自第一对面的面的面积与来自第二对的面的面积相比可以显著更大。在其空隙中具有这种磁体的超材料可以服务于控制光或其他电磁波的传递。通过使超材料单元沿期望方向经受静态磁场，磁体的方位可以被控制为以期望角度面向入射的方向，例如，具有它们跨电磁波的传播方向的最大迎风面积，或例如跨电磁波的传播方向它们具有最小迎风面积，从而控制超材料单元对电磁波和/或其他类型的辐射的渗透性。在所公开主题的各种实施方式中，它们通过超材料被阻止(或衰减)的波长随着超材料空隙内的磁性颗粒的角度的变化而变化。
在所公开主题的各种实施方式中，超材料的透明度可以通过施加磁场(从而控制磁性颗粒的方位并由此控制哪些波长将通过)来改变。在其他各种实施方式中，磁场可以施加于在超材料的空隙中局限的磁性颗粒，以便取决于它们的偏振方向来影响光子的通过。在一些实施方式中，磁场可以是恒定的，并且没有角动量可以被产生。根据这些实施方式的超材料单元可以用作例如用于照相机的偏振器。
通过适当施加交变磁场，颗粒将以由弯曲箭头934指示的角速度w围绕其如由图9C例示的轴线A旋转，从而产生具有内部微角动量的超材料。这可以提高超材料块针对由于冲击而产生的穿透或针对由于临时外部应力而产生的变形的抵抗力。
被提供有上面公开的微角动量的超材料可以有利地服务于诸如用于车辆或建筑物的装甲的铠装应用中。通过施加交变磁场来启动微角动量是选择的问题。在一些情况下，启动可以在识别潜在威胁时执行。交变磁场的启动可以由诸如专用于识别威胁的雷达或照相机的电子系统而是自动的，或者基于抛射体接近的信息而是手动的。
设置有上面公开的微角动量结构的超材料还可以服务于需要稳定化物体的应用中，并且可以充当内置微陀螺仪，其通过提高其针对偏转的抵抗力来稳定超材料单元在使用中的空间方位。此外，装配有这种内置微陀螺仪的超材料单元可以作为传统(宏观)陀螺仪的替代服务于控制系统中，例如，以便对从基础方位的偏移进行信号通知。
图10例示了根据所公开主题的示例性实施方式，其中，单元胞1000包括被容纳在空隙1003内部的磁性颗粒1004。空隙1003具有圆柱形状，并且颗粒1004也具有圆柱形状，颗粒的圆柱形状在直径上稍小于空隙1003的直径，并且在高度上显著小于空隙1004的高度，由此，颗粒可以沿着空隙自由上下移动。单元胞1000的基体包括微金属线，该微金属线嵌入基体1001中，以在空隙周围或附近形成基体线圈1009。另外或另选地，基体本身可以是金属基体，由此可见，其特定部分可以用作基体线圈1009并因此被认为是基体线圈1009。通过沿与空隙1003的高度平行的方向摇动材料，磁体1004借助空隙1003上下移动，这使得磁体1004的磁场在线圈中感应电信号(或在缺乏传统线圈特性的基体的金属区域中感应涡电流)。电信号可以用于例如加热超材料、对电池充电、或感测摇动的强度。
构成线圈的线的端部由连接微线电连接成电路，这些连接微线分别由从线圈1009的两个相对端延伸的虚线1019和1029例示，用于根据预期用途向其使用位置递送所生成的信号。在一些示例性实施方式中，电信号可以用于为用于加热基体或其部分的加热元件提供动力或用于加热用作加热元件的基体的部分。另外或另选地，电信号可以被馈送到电池或充电电路。另外或另选地，电信号可以被提供到用于确定在振动期间由磁性颗粒感应的电信号的平均等级的仪表。
在单元胞1000包括被容纳在其空隙1003内部的磁性颗粒1004且还包括嵌入基体1001中以在空隙1003周围或附近形成基体线圈1009的微金属线的各种实施方式中，多个单元胞相对于其他单元胞的方位可以使得空隙1003(除非它们是球面对称的)和线圈1009分别沿三个正交方位贯穿超材料单元分布，使得单元胞的第一部分共享第一空间方位，单元胞的第二部分共享与第一方位正交的第二空间方位，并且单元胞的第三部分共享与两个其他方位正交的第三空间方位。这种分布将至少在超材料单元的线圈的一部分中提供电信号，而不管其振动方向如何。而且，通过对在三个正交定向的单元胞中生成的电信号的大小进行采样，可以计算并揭示振动的方向。
图11A例示了根据所公开主题的示例性实施方式，其中，单元胞1100在空隙1103内部容纳至少一个易碎颗粒1104，作为有益内容物。易碎颗粒和空隙1103的相互作用相可以具有预定的相互弹性度，该弹性度提供在超材料被暴露到小于预定阈值的外部压力或应力等级时维持易碎颗粒1104完整。一旦所施加应力或压力的等级超过阈值，则如图11B例示，易碎颗粒可以破碎成碎片1114，而不损坏基体部分1101。因为易碎颗粒的碎片与空隙1103的相互作用相之间的相互作用可以显著不同于完整易碎颗粒与空隙1103的相互作用相之间的相互作用，所以易碎颗粒的破碎可以凭借超材料来产生，在宏观规模等级上，一旦所施加压力或应力等级超过阈值，则该超材料可以表现出完全不同的机械特性。上面公开的超材料的实施方式在各种应用中有用。作为非限制性示例，实施方式可以用作不可逆应力、应变或加速度阈值等级传感器。
图12A例示了根据所公开主题的示例性实施方式，其中，单元胞1200具有特别被构造为在空隙1203的相互作用相的不同区域之间自相互作用的微观结构。微观结构本身可以是可以由于变形而互锁的机构。这可以用于吸收能量(例如，在诸如汽车保险杠的应用中)。有益内容物是互锁元件1204，在所公开主题的各种实施方式中，互锁元件扩散到基体部分1201或以其他方式附着到它。空隙1203包括具有轮廓的一个或更多个配对元件1202，该轮廓在尺寸和形状上被构造为在所述互锁元件1204与所述一个或更多个配对元件1202之间发生移动时与互锁元件1204配对。对基体部分1201施加超过预定阈值的压力可以被构造为使得所述相对移动发生，由此使所述互锁元件1204与所述一个或更多个配对元件1202互锁，从而，如图12B例示的将基体部分1201维持在变形状态，这被构造为即使在去除所述压力时也保持。
超材料可以被构造为在展示特性时提供互锁的选择性解除。作为示例，在加热时，可以解除互锁，从而允许材料返回到其原始状态。在一些示例性实施方式中，互锁元件1204可以由具有比一个或更多个配对元件1202的热膨胀小至少一个因数的热膨胀的材料形成，以提供这种基于热量的解除。另外或另选地，一个或更多个配对元件1202可以以双金属形式来提供，因此，它们在加热时可以弯曲，并且释放互锁的互锁元件1204。
本说明书的第二广泛目的是公开一种系统，该系统用于将有益内容物引入到多孔超材料的空隙中，从而提供在至少一个单元胞内的至少一个空隙内容纳有有益内容物的超材料的产生。
本说明书的第三广泛目的是公开一种用于建造在其空隙中的一个或更多个内容纳有有益内容物的多孔超材料的方法。在各种实施方式中，用于制造超材料的方法包括以下步骤：
产生包括多个单元胞的基体，各个单元胞包括空隙。基体通过对于各单元胞执行以下内容来产生：
(i)产生单元胞的初始部分，其中，初始部分包括单元胞的相应空隙的初始部分，其中，在初始部分中，存在通向相应空隙的外部通路；
(ii)将有益内容物分发到初始部分中的相应空隙中；以及
(iii)完成单元胞，其中，所述完成包括封闭相应空隙并阻碍通向该空隙的外部通路。
在一些情况下，各单元胞可以单独处理，使得通过执行所有上面提及的步骤来产生第一单元胞，然后通过执行所有上面提及的步骤来产生下一单元胞。另外或另选地，可以同时产生若干单元胞。例如，可以产生一组单元胞的初始部分，然后将有益内容物分发到它们相应的空隙中，然后封闭通向相应空隙的外部通路并完成该组单元胞中的所有单元胞。
现在参照本说明书的第二广泛目的，介绍了用于产生参照第一目的公开的类型的超材料的系统的第一实施方式。系统包括：自动化机器，该自动化机器被构造为产生包括多个单元胞的基体，其中，多个单元胞中的每一个包括至少一个空隙；和自动化分发器，该自动化分发器被构造为将有益内容物分发到多个单元胞的至少一部分的相应空隙中，其中，所述自动化分发器被构造为在所述自动化机器产生空隙的至少一部分之后且在所述自动化机器封闭相应空隙之前将有益内容物分发到相应空隙中。
图13例示了用于制造新类型的超材料的设备的示例性实施方式。设备构成用于产生超材料的系统的各种实施方式中的一部分，该系统包括具有3D打印头的3D打印机，该3D打印头由移位机构可控地可移动，以便建造包括多个单元胞的基体，各个单元胞包括至少一个空隙；系统特征在于安装在所述移位机构上的自动化分发器，该自动化分发器用于在由打印头逐步建立基体期间将预定剂量的至少一种有益内容物可控地排出到建造中的空隙中。
在所述系统的各种示例性实施方式中，至少一种有益内容物可以不同于由所述3D打印头挤出的材料。另外或另选地，至少一种有益内容物被构造为不随着材料扩散(即，不扩散)，从而使用3D打印头产生固体基体材料，该基体材料在内部空隙中包括分离的有益内容物。
设备可以包括轴线1308，该轴线用于贯穿正交轴线系统(诸如XYZ、XY等)可控地驱动3D打印机头1309。设备可以包括由3D打印机构可移动的3D打印机头1309。设备可以包括也由3D打印机构可移动的分发器1310。在一些示例性实施方式中，分发器1310被定位为紧挨着打印机头1309或在其后方，并且可以由打印机的计算机化分发模块控制为将预定剂量的有益内容物释放到由打印机头1309建造中的基体中的空隙中。
这里公开了根据本公开的所述第三目的并使用图13所示的系统的、用于制造超材料的另一种方法。方法包括以下步骤：
(i)由3D打印机打印基体层并在其表面上设置构成建造中的空隙的凹口；
(ii)使自动化分发器紧靠凹口移动，并且将至少一种有益内容物分发到所选凹口中；
(iii)继续基体的打印，直到凹口变成封闭空隙为止；以及
(iv)重复步骤(i)至(iii)，直到基体达到预期预定设计为止。
打印机头1309打印基体，使得期望空隙打开，分发器1310将有益内容物(诸如一个或更多个结构、一种或更多种物质等)添加到预期空隙中，并且打印机头1309继续打印基体，直到具有有益内容物的空隙变得封闭为止。将注意，对于在尺寸上与在有益内容物中包括的最小材料物体的尺寸类似(或大于该尺寸)的材料物体，空隙可以封闭并阻碍通入该空隙的外部通路。例如，在有益内容物是磁性颗粒的情况下，空隙可以不透气地密封，使得空气可以进入和离开封闭空隙。然而，封闭空隙可以保持磁性颗粒并防止它被去除，只要围绕空隙的基体片段完整即可。围绕空隙的基体部分还可以隔离空隙，以防在尺寸上与有益内容物的尺寸类似或更大的另外材料的插入或侵入。在一些示例性实施方式中，被封闭的空隙可以不透气地密封。不透气密封的空隙可以是有益内容物是流体时或不期望外部气体或液体物质的侵入时的要求。然而，在各种实施方式中，密封一个或更多个空隙，而不管有益内容物或潜在侵入周围材料的内容物的物质状态如何。
进一步参照本说明书的第二广泛目的，介绍了用于产生参照第一目的公开的类型的超材料的系统的另一个实施方式。系统包括：浇铸设备；模具，该模具被构造为产生基体1400的一个或更多个层，在层1401的一侧上具有部分空隙1413(如图14B例示)，或分别在层的两侧上具有空隙1413、1416(如图14C例示)；自动分发器1310，该自动分发器用于将诸如一个或多个结构204和/或一种或多种物质304的有益内容物分发到部分空隙1413中；以及优选地还有焊接或粘合单元，该焊接或粘合单元被构造为将多个层1400彼此上下地合并，使得呈现有在第一层上的有益内容物的空隙变得被从上方焊接或粘合的下一层的匹配底部封闭或密封。在缺乏焊接或粘合单元的系统的实施方式中，将层焊接或粘合在一起可以由外部焊接或粘合机器和/或由手动焊接或粘合处理来实现。
如从上面公开的实施方式可理解的，生产方法提供具有有利机械和动态特性的超材料。该新类型超材料可以用于生产装甲，这些装甲在与缺乏所公开结构的装甲相比时每重量特性具有有利的穿透抵抗力。该新类型超材料可以用于生产汽车保险杠、嵌入产品内的传感器、嵌入式充电器、具有部件的产品、触发器、引爆装置、致动器、具有改进耐用性的机器、具有嵌入式损坏指示器的产品等。
气体有益内容物可以在被冷却至低于气体的液化温度的环境中或在填充有预期气体的压力室中引入到空隙中。
在所公开主题的各种实施方式中，被引入到建造中的空隙中的有益内容物是预期在超材料单元的结构完成与其实际使用之间被磁化的非磁化复合材料。因此，生产方法将包括以下步骤：根据可接受磁化协议通过将超材料大块、块或单元暴露到外部磁场磁化空隙内的有益内容物。
虽然本发明的前述书面描述使得普通技术人员能够进行并使用当前被认为是本发明的最佳模式的内容，但普通技术人员将理解并领会具体实施方式、方法以及内部示例的变型例、组合以及等同物的存在。因此，本发明不应受上述实施方式、方法以及示例限制，而是受在如所要求保护的本发明的范围和精神内的所有实施方式和方法限制。
还应注意，在一些另选实施方案中，所注释的方法步骤可以在所注释的顺序之外发生。例如，连续提及的两个步骤实际上可以大致同时执行，或者步骤有时可以以相反的顺序来执行，这取决于功能是否允许。
这里所用的术语仅是为了描述特定实施方式的目的且不旨在限制所公开的主题。如此处所用的，单数形式“一”和“一个”旨在也包括复数形式，除非上下文另外清楚指示。还将理解，术语“包括”在用于本说明书中时指定所叙述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组的存在或添加。
以下权利要求中的所有装置或步骤加功能元件的对应结构、材料、动作以及等同物旨在包括用于结合如特别要求保护的其他要求保护的元件来执行功能的任意结构、材料或动作。对本所公开主题的描述是为了例示和描述的目的而提出的，但并非旨在穷尽，或者限于所公开形式的所公开主题。很多修改例和变型例将在不偏离所公开主题的范围和精神的情况下对于本领域普通技术人员是清晰的。选择并描述实施方式以最好地说明所公开主题的原理和实际应用，并且使本领域其他普通技术人员能够理解用于各种实施方式的所公开主题，以及适合于所设想的具体用途的各种修改。

Claims (33)

1.一种超材料单元，该超材料单元包括：
基体，该基体包括多个单元胞；
至少一个空隙，该至少一个空隙位于所述多个单元胞中的至少一个单元胞内；
有益内容物，该有益内容物被捕获于所述至少一个空隙内，从而向相应单元胞提供与所述有益内容物在所述至少一个空隙内的存在相关联的预期预定特性。
2.根据权利要求1所述的超材料单元，其中，所述有益内容物与所述相应单元胞分离。
3.根据权利要求1所述的超材料单元，其中，所述有益内容物是流体或包括流体。
4.根据权利要求3所述的超材料单元，其中，所述流体是非牛顿的。
5.一种装甲，该装甲包括至少一个根据权利要求4所述的超材料单元。
6.根据权利要求1所述的超材料单元，其中，所述有益内容物是至少一个刚性结构或包括至少一个刚性结构。
7.根据权利要求6所述的超材料单元，其中，所述至少一个刚性结构是磁性的。
8.一种装甲，该装甲包括至少一个根据权利要求7所述的超材料单元。
9.根据权利要求6所述的超材料单元，其中，所述至少一个刚性结构的脆度大于所述至少一个单元胞的脆度，使得在所述基体受外力的影响而变形时在所述基体保持完整的同时所述刚性结构能够被压碎。
10.根据权利要求1所述的超材料单元，其中，所述有益内容物是流体和至少一个刚性结构这二者中的至少一种，或者包括流体和至少一个刚性结构这二者中的至少一种。
11.根据权利要求1所述的超材料单元，其中，被捕获于至少一个空隙中的有益内容物在类型上与被捕获于至少另一个空隙中的至少另一种有益内容物不同。
12.根据权利要求1所述的超材料单元，其中，至少一个空隙在其中部中成型有缩窄部，使得由于所述缩窄部而延迟被捕获的有益内容物在给定力的影响下从第一空隙区域穿过所述缩窄部到第二空隙区域中的通过或流动。
13.根据权利要求1所述的超材料单元，其中，所述基体包括围绕所述至少一个空隙的至少一部分盘绕的嵌入式金属线。
14.根据权利要求12所述的超材料单元，其中，所述有益内容物是磁性颗粒，由此当所述磁性颗粒在所述至少一个空隙中移动时，在所述嵌入式金属线中生成电磁信号。
15.根据权利要求1所述的超材料单元，其中，所述基体空隙的至少一部分由在所述基体中形成的多个空隙通道联网，从而允许所述有益内容物从一个空隙穿过所述空隙通道到另一个空隙的通过。
16.根据权利要求1所述的超材料单元，其中，在结构上与所述基体的结构不同的连接元件在一对相邻空隙之间延伸，并且在其远端中的任一远端处分别连接到被捕获于各个所述空隙内的非流体有益内容物，使得两个刚性有益内容物由所述连接元件互连。
17.根据权利要求1所述的超材料单元，其中，所述有益内容物是互锁元件，其中，所述至少一个空隙包括一个或更多个配对元件，该一个或更多个配对元件在尺寸和形状上被构造为在所述互锁元件与所述一个或更多个配对元件之间发生相对移动时与所述互锁元件配对，借此，超过预定阈值的压力在所述基体上的施加被构造为使得所述相对移动发生，并由此使所述互锁元件与所述一个或更多个配对元件互锁，从而即使在去除所述压力时，也将所述基体维持在变形状态。
18.根据权利要求1所述的超材料单元，其中，所述有益内容物包括流体和物质，其中，所述流体和所述物质具有静止状态，借此，在所述流体和所述物质处于所述静止状态时所述超材料具有一个物理特性，其中，所述流体和所述物质具有非静止状态，借此，在所述流体和所述物质处于所述非静止状态时所述超材料具有第二物理特性。
19.根据权利要求1所述的超材料单元，其中，所述有益内容物被构造为响应于所述至少一个单元胞被损坏而从所述至少一个空隙溢出。
20.根据权利要求19所述的超材料单元，其中，所述有益内容物是染料，该染料被构造为对所述超材料单元受到的损坏进行着色指示。
21.根据权利要求19所述的超材料单元，其中，所述有益内容物是润滑剂，该润滑剂被构造为响应于所述超材料单元被损坏而施加在所述超材料单元上。
22.根据权利要求1所述的超材料单元，其中，所述有益内容物在预定温度范围内具有液态，其中，所述有益内容物在超过所述预定温度范围的温度下具有气态，其中，所述有益内容物被构造为在处于所述气态时在封包所述至少一个空隙的表面上施加压力，由此所述超材料单元被构造为在暴露于超过所述预定温度范围的温度时改变其物理特性，所述物理特性的所述改变是由于由所述有益内容物在封包所述至少一个空隙的所述表面上施加的所述压力引起的。
23.一种用于产生超材料的系统，所述系统包括：
自动化机器，该自动化机器被构造为产生包括多个单元胞的基体，其中，所述多个单元胞中的每一个单元胞包括至少一个空隙；和
自动化分发器，该自动化分发器被构造为将有益内容物分发到所述多个单元胞的至少一部分的相应空隙中，其中，所述自动化分发器被构造为在所述自动化机器产生所述相应空隙的至少一部分之后且在所述自动化机器封闭所述相应空隙之前将所述有益内容物分发到所述相应空隙中。
24.一种用于制造超材料的方法，所述方法包括以下步骤：
产生包括多个单元胞的基体，其中，所述多个单元胞中的每一个包括至少一个空隙，其中，对于所述多个单元胞中的各个单元胞，所述制造包括：
产生所述单元胞的初始部分，其中，所述初始部分包括所述单元胞的相应空隙的初始部分，其中，在所述初始部分中，存在通向所述相应空隙的外部通路；
将有益内容物分发到所述相应空隙的所述初始部分中；以及
完成所述单元胞，其中，所述完成包括封闭所述相应空隙并阻碍通入该空气的所述外部通路。
25.一种用于产生超材料的系统，该系统包括具有3D打印头的3D打印机，该3D打印头能够由移位机构可控地移动，以便建造包括多个单元胞的基体，各个单元胞包括至少一个空隙；所述系统的特征在于安装在所述移位机构上的自动化分发器，该自动化分发器用于在由所述打印头逐步建立所述基体期间将预定剂量的至少一种有益内容物可控地排出到处于建造中的空隙中。
26.根据权利要求25所述的系统，其中，所述至少一种有益内容物与由所述3D打印头挤出的材料不同，其中，所述至少一种有益内容物被构造为不与所述材料扩散，从而使用所述3D打印头产生内部包括分离的有益内容物的固体材料。
27.一种用于制造超材料的方法，该方法包括以下步骤：(i)由3D打印机打印基体层并在其表面上设置构成建造中的空隙的凹口；(ii)使自动化分发器紧靠所述凹口移动，并且将至少一种有益内容物分发到所选凹口中；(iii)继续所述基体的所述打印，直到所述凹口变成封闭空隙为止；(iv)重复步骤(i)至(iii)，直到所述基体达到预期预定设计为止。
28.一种用于产生超材料的系统，该系统包括：浇铸设备；模具，该模具被构造为产生基体的一个或更多个层，所述一个或更多个层在其至少一个表面上具有构成处于建造中的空隙的凹口；自动化分发器，该自动化分发器能够紧靠着所述凹口移动，以便将至少一种有益内容物分发到所述凹口中。
29.根据权利要求28所述的系统，该系统还包括焊接或粘合单元，该焊接或粘合单元被构造为将多个基体层彼此上下地合并，使得在第一层上呈现有由所述分发器排出的所述有益内容物的所述凹口变得被从上方焊接或粘合的下一基体层的匹配底部封闭。
30.一种用于制造超材料的方法，该方法包括以下步骤：(i)设置用于一次浇铸基体的一层或更多层的模具；(ii)浇铸具有凹口的多个基体层，该凹口在层的两侧上或其一侧上构成处于建造中的空隙；(iii)设置自动分发器，该自动分发器用于将至少一种有益内容物引入到所述凹口中；(iv)将多个层彼此上下地合并，使得在第一层上呈现有所述有益内容物的所述凹口被从上方焊接或粘合的下一层的匹配底部封闭。
31.一种用于操作具有被动和主动保护状态的装甲的方法，所述方法包括以下步骤：
(i)使所述装甲处于被动保护状态；
(ii)获得与威胁的严重级别关联的指示；
(iii)响应于威胁的所述严重级别超过阈值的指示，旋转所述装甲内部的微观结构，由此在所述主动保护状态下操作所述装甲。
32.一种用于在根据权利要求31所述的方法中使用的装甲，其中，所述装甲由包括基体的超材料单元组成，其中，所述基体包括多个单元胞，其中，所述多个单元胞中的各个单元胞包括至少一个空隙，其中，所述单元胞的至少一部分在它们的至少一个空隙中包括一个或更多个磁性物体。
33.根据权利要求32所述的装甲，其中，所述装甲还装配有至少一个电磁搅拌器，该至少一个电磁搅拌器被构造为向所述超材料单元提供交变电磁场，该交变电磁场用于使在所述多个单元胞的各个空隙中的所述一个或更多个磁性物体旋转。
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