研究人员利用机器人技术和增材制造，通过战略性地嵌入空心管，增强了基于水泥的材料的韧性，从而使这种产品的强度超过传统选项的五倍以上。
受到人类骨骼坚韧外层的启发，普林斯顿的科学家们创造了一种基于水泥的材料，其抗损伤能力比标准变体提高了5.6倍。这一创新设计使材料能够承受开裂并防止突发失效，使其不同于典型的脆性水泥材料。
在9月10日发表在《先进材料》期刊上的一篇文章中，由土木与环境工程助理教授Reza Moini领导的研究团队，以及在读三年级的博士生Shashank Gupta展示了如何将管状结构整合入水泥浆中，极大地提高其抵抗裂缝发展的能力，并改善其变形能力，而不会出现突发性破裂。
Gupta解释道：“工程师在使用脆性建筑材料时面临的一个主要挑战是它们突然和灾难性失效的倾向。”
在建筑和土木工程中常用的脆性材料中，强度表示材料承受负载的能力，而韧性则涉及材料抵抗裂缝和损伤传播的能力。团队提出的方法通过制造一种比传统选项更韧的材料，同时保持强度来解决这些问题。
Moini强调，改善来源于内部结构的有意设计，这种设计在裂纹最前沿平衡应力与材料的整体机械性能。
他指出：“我们应用断裂力学和统计力学的理论，通过设计来增强材料的基本性能。”
团队设计的灵感来源于人类皮质骨，这是一种被称为股骨的强健外层，因其强度和抗断裂能力而闻名。皮质骨具有被称为骨单位的椭圆形管状结构，这些结构松散地镶嵌在有机基质中。这种独特的结构帮助将裂缝引导远离骨单位，从而防止突发失效并提高材料的整体抗裂能力，Gupta指出。
团队开发的生物启发设计将圆柱形和椭圆形管道整合到水泥浆中，使其能够与发展中的裂缝相互作用。
Moini表示：“通常，人们可能会认为增加空心管会使材料更不耐裂。然而，我们发现通过优化管的几何形状、大小、形状和方向，我们可以增强裂缝与管之间的相互作用，提高一种性能而不降低另一种。”
研究表明，这种增强的相互作用启动了一种分步增强过程，其中裂缝遇到管道，被困住，并经历延迟生长。这导致每次相互作用都增加能量耗散。
Gupta解释说：“这种分步机制的独特之处在于每个裂缝的生长是受控的，从而防止快速、灾难性的失效。材料不是一次性崩溃，而是经历渐进的损伤，显著提升其韧性。”
与通过加入纤维或塑料加强水泥材料的传统方法不同，普林斯顿团队的策略专注于几何设计。通过改变材料的结构本身，他们在不需要额外材料的情况下，实现了韧性的显著提升。
除了提高断裂韧性，研究人员还制定了一种新的测量材料无序度的方法，这对于有效设计至关重要。利用统计力学的原理，他们引入了量化设计材料无序度的参数，从而创建了一个准确反映架构无序度的数值框架。
团队解释说，他们的新框架提供了更精确的材料排列描述，超越了有序与无序的简单分类，接受了一个连续体。Moini澄清说，他们的研究区分了不规则性和扰动与统计无序之间的区别，例如在Voronoi镶嵌和扰动方法中观察到的那样。
Moini指出：“这个框架为我们提供了一种强有力的工具，用于设计具有定制无序度的材料。利用增材制造等先进制造技术，可以进一步促进创造出更无序但机械上有利的结构，使我们能够将这些管道设计规模化应用于混凝土等土木基础设施。”
最近，研究团队还开创了通过机器人和增材制造精确创作的新技术。通过将这些方法应用于新的建筑设计和管内的硬或软材料混合物，他们旨在扩大在建筑材料中的潜在应用范围。
Gupta评论道：“我们才刚刚触及可能性的表面。还需探索众多因素，包括将无序应用于管的大小、形状和方向。这些原则也可能扩展到其他脆性材料，导致开发出抗损伤结构。”
