突破性研究！高扭轉超材料可儲存驚人彈效能量

由德國卡爾斯魯厄理工學院（KIT）主導的國際研究團隊，成功開發出具有超高彈效能量密度的機械超材料。這項突破性技術利用特殊設計的高扭轉桿件，透過螺旋形變來實現卓越的剛性表現，使其能夠吸收並釋放大量彈效能量。研究團隊已將這項重要發現發表於頂尖期刊《自然》。

在機械工程領域，能量儲存技術至關重要，無論是避震彈簧、機械能緩衝裝置，或是機器人與節能機械中的柔性結構，都需要這類技術的支援。這類裝置的工作原理是將動能（即運動產生的能量）轉換為彈效能，並在需要時完全釋放。

卡爾斯魯厄理工學院應用材料研究所力學專家Peter Gumbsch教授解釋：「這項研究的關鍵在於『焓值』—也就是材料單位體積能夠儲存與釋放的能量密度。要達到最高焓值極具挑戰性，因為必須同時滿足三個相互矛盾的特性：高剛性、高強度，以及大範圍的可恢復形變。」

超材料是一種自然界不存在的人工設計材料，透過精心設計的單元結構組合，能夠展現出超越傳統材料的優異效能。Gumbsch教授率領的國際團隊（成員包含來自中國與美國的研究人員）成功開發出這款革命性的機械超材料。

「我們最初發現，透過特殊設計的圓桿結構，可以在不造成斷裂或永久變形的情況下儲存大量能量。」Gumbsch教授說明：「接著我們將這個機制整合到超材料結構中，創造出更實用的解決方案。」

研究團隊將這種機制與傳統彎曲彈簧進行比較：傳統彈簧的最大變形量受限於表面產生的高拉應力與壓應力，容易導致斷裂或塑性變形，且材料內部體積的應力利用率極低。相比之下，高扭轉桿件雖然表面同樣承受高應力，但低應力區域的體積大幅減少，使能量儲存效率顯著提升。

透過精密模擬與實驗驗證，研究團隊成功將這種扭轉桿件整合成可承受單軸負載的宏觀超材料。測試結果顯示，這種新型超材料的焓值比現有其他超材料高出2至160倍，展現出驚人的能量儲存潛力。

Gumbsch教授強調：「這種具有超高彈效能量儲存能力的新材料，未來可望應用於多種領域，特別是需要高效能量儲存與優異機械效能的場合。」潛在應用包括彈簧式能量儲存系統、避震緩衝裝置、機器人柔性結構，甚至是純彈性接頭等創新設計。

這項突破性研究不僅為機械工程開闢新方向，更為未來節能技術的發展奠定重要基礎。隨著進一步的研究與開發，這類超材料可望為各產業帶來革命性的變革。