颠覆认知！科研人员开发出了拉伸时会缩小的神奇3D打印结构

3D打印不仅正在革新制造方式，更在推动基础科学原理的实验验证。

2025年4月30日，南极熊获悉，来自荷兰的AMOLF研究所与ARCNL（阿姆斯特丹先进纳米光刻研究中心）的研究人员联合在《美国国家科学院院刊》（PNAS）发表了一篇引人关注的论文，题为《Exotic mechanical properties enabled by countersnappinginstabilities（对抗不稳定性带来的奇异机械特性）》。他们在实验中借助3D打印翻模技术制造柔性硅胶构件，成功构建出一种看似违反直觉的力学结构：单个部件在拉伸时会正常变长，但当多个这样的部件以特定方式连接后，整个系统反而会在拉伸时发生“突然收缩”。

论文链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2423301122

这一令人惊讶的“反向咬合”（countersnapping）现象，不仅挑战了人们对力-位移关系的传统认知，还揭示了3D打印技术在实验力学、智能结构和机械超材料设计中的巨大潜力。南极熊注意到，该研究团队在构建这些反常行为结构的过程中，采用了PolyJet 3D打印技术制作模具，并以高弹性硅胶材料进行翻模成型，展示了3D打印在非线性材料与复杂几何验证方面的关键作用。

从不稳定性到功能性：捕捉“反向咬合”现象

在自然界与工程结构中，结构不稳定性常常被视为不可控的破坏源，如雨伞在大风中翻转、柱体屈曲等。然而近年来，材料科学家和机械工程师越来越多地意识到，这些非线性行为其实蕴含着可编程的潜力，特别是在可变刚度结构、软体机器人、能量吸收材料等领域，正在形成一股“利用不稳定性”的研究浪潮。

此次由AMOLF与ARCNL团队提出的“反向咬合”现象，正是在此背景下诞生。与传统的“咬合不稳定”不同——后者表现为拉伸下的突发延伸、压缩下的突发收缩——反向咬合是一种违反直觉的响应方式：系统在外力拉伸增强时，反而突然发生缩短。这一反常行为不仅首次在实验中被清晰实现和观察，更被系统性地量化为力-位移曲线中清晰的自相交特征，具有深远的理论和应用价值。

△组合非线性力学构件实现反向卡扣不稳定性

△反向扣合行为的实验观察

构建“反常”力学的背后：3D打印+软体硅胶材料

南极熊了解到，为了实现这一高度精密的力学结构，研究团队采用了一套“3D打印翻模+多元模块组装”的工艺路线。

首先，他们基于非线性弹性理论设计出三类构建块：软化型、硬化型和非单调型弹性单元。这些构件分别具备特定的力-位移响应特征，核心结构包括V形弯曲梁、菱形折叠梁等，均以几何非线性变形为基础。

随后，研究人员利用Stratasys Eden260VS PolyJet打印机打印出高分辨率的透明模具，并将高柔性硅胶材料Smooth-Sil 945注入模具中固化，从而制得高一致性的弹性构件。这些构件最终被装配成5单元弹簧网络，通过3D打印制作的连接件进行组装，构成整个“反向咬合结构”。

这种方式充分体现了3D打印在自由形态、微结构控制与模具制造方面的优势，为探索复杂力学现象提供了实验基础。

实验验证：“被拉伸时缩短”的真实物理表现

研究团队通过三类实验装置，系统性观察并验证了“反向咬合”现象：

1.       位移控制实验：通过拉伸平台缓慢拉伸结构，发现当拉伸超过临界值时，系统突然收缩，同时反作用力迅速跃升。该现象在力-位移曲线中表现为典型的“自交型突变”特征，验证了反咬合的存在。

2.       力控制实验：通过向悬挂装置中缓慢注水加载，结构在某一瞬间突然缩短，导致悬挂质量“被弹起”，从而间接证明结构内部的力学耦合发生突变。

3.       混合驱动实验：在复合加载条件下，结构表现出“从静止中突然跃起”的响应，这一行为显示出反向咬合机制具有方向一致、增量驱动特性，可用于机械逻辑或软体机器人的执行结构中。

延伸应用：粘滑运动、可编程刚度与振动抑制

值得注意的是，研究团队不仅实现了反常结构的设计与验证，更探索了其在功能材料领域的潜在应用。例如：

1.       单向粘滑驱动：相比普通卡扣结构在来回拉伸中抵消位移，反向咬合结构在一个周期内会发生两次相同方向的形变，使得系统可在无反馈控制的前提下实现方向一致的增量位移，有望应用于软体机器人微步推进器或微位移执行器。

2.       可编程刚度切换：通过控制结构状态切换，系统在相同受力与位移条件下可实现不同刚度的调节，这种“状态不变而性能切换”的能力，为可调谐滤波器、被动减震器等器件提供了新思路。

3.       共振自避与智能材料：反向咬合结构可以在共振激发下“自动跳转”至非共振状态，从而实现系统在高振动环境中的自适应保护功能。这种机制对于结构健康监测、航天结构抗振动设计具有实际意义。

△单向粘滑行为的实验观察

△演示可编程和自切换刚度的实验。

△实验观察到的反向扣合超材料的集体行为

机械超材料新方向：从单元到阵列的响应进化

更进一步，南极熊注意到，研究人员还设计并测试了由多个反咬合单元组成的并联或串联超材料结构。在并联配置中，不同单元可按设计顺序依次响应，构成可编程变刚度材料；在串联配置中，结构会因单元触发而产生“雪崩式响应”，实现全局状态突变与集体切换。

△串联反向扣合元件中的雪崩转变

这类基于反向咬合单元的超材料，不仅提升了力学性能的多样性，还为构建机械逻辑器件、弹性计算系统奠定了新思路。

南极熊观察：3D打印赋能力学探索的边界

通过本次研究成果可以看出，3D打印不仅是工业制造工具，更是基础科学实验和力学理论验证的重要平台。无论是高精度模具、复杂结构设计，还是材料快速成型、参数迭代优化，增材制造在探索物理边界与构建未来智能结构方面发挥着不可替代的作用。

研究团队在结构中所用的所有构件，都是以3D打印为“核心平台”，再借助硅胶等柔性材料进行功能实现。这种跨界融合的实验范式，将有助于推动结构力学—材料科学—智能系统的深度融合。

未来，类似“反向咬合”这样的非线性行为，或许将在可穿戴设备、自适应建筑、太空展开结构等领域获得实际应用，而3D打印无疑将继续作为探索“材料功能性与几何逻辑”的关键桥梁。