軟材料是一類在較小應(yīng)力下即可發(fā)生顯著變形的物質(zhì)，其典型特征包括低彈性模量、高延展性以及復(fù)雜的耗散行為，常見于自然界與工程領(lǐng)域，如生物組織、水凝膠、彈性體、食品等。這些材料在受力時往往表現(xiàn)出超彈性、黏彈性或塑性與黏性耦合的響應(yīng)，并且其破壞過程常涉及大變形下的漸進式失效而非脆性斷裂。切割作為一種基本的物理過程，在軟材料中卻呈現(xiàn)出尤為復(fù)雜的力學(xué)行為：它不僅涉及材料的宏觀變形與斷裂，還深受工具-材料界面的黏附、摩擦、磨損以及材料內(nèi)部能量耗散機制的影響。盡管軟切割在眾多應(yīng)用中至關(guān)重要，傳統(tǒng)基于線彈性斷裂力學(xué)或庫侖摩擦的理論難以完整描述其過程，尤其無法解釋為何力學(xué)性能相似的材料會表現(xiàn)出截然不同的切割響應(yīng)，以及壓入階段如何穩(wěn)定或不穩(wěn)定地過渡到切割。因此，建立一個能統(tǒng)一描述材料本構(gòu)行為、界面相互作用與能量耗散機制的物理框架，成為該領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵問題。

為深入揭示軟材料切割的物理機制，德國埃爾蘭根-紐倫堡弗里德里希-亞歷山大大學(xué)應(yīng)用力學(xué)研究所的Miguel Angel Moreno-Mateos與Paul Steinmann開展了一項結(jié)合實驗與計算建模的系統(tǒng)研究。該工作獲得了歐洲研究委員會“地平線歐洲”計劃的資助，旨在通過設(shè)計新型切割實驗并構(gòu)建耦合內(nèi)聚力與接觸力學(xué)的三維計算模型，揭示不同軟材料在刀具作用下的破壞機理，尤其聚焦于壓入-切割轉(zhuǎn)變的條件、切向阻力的來源以及材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)對切割過程的影響。研究選取了三類代表性材料：物理交聯(lián)的明膠水凝膠、Sylgard 184彈性體以及由肉糜和脂肪構(gòu)成的加工食品材料。實驗方面，通過定制切割裝置獲取力-位移曲線，并利用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)捕捉表面應(yīng)變場演化；計算方面，則建立了一個可分離多種物理貢獻的連續(xù)介質(zhì)模型，該模型集成了超彈性本構(gòu)、內(nèi)聚力分離律、庫侖摩擦以及反映黏附與磨損的界面切向力模型，并通過開源有限元平臺FEniCSx實現(xiàn)數(shù)值模擬。

該研究主要圍繞材料行為、破壞起始、界面力學(xué)與能量耗散展開。實驗首先揭示了三種截然不同的切割響應(yīng)：明膠水凝膠表現(xiàn)出明顯的脆性轉(zhuǎn)變特征，切割力在達到峰值后急劇下降，對應(yīng)于內(nèi)部物理交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的突然崩塌；彈性體則呈現(xiàn)平滑、近乎線性的力-位移曲線，反映其高韌性下漸進式的破壞方式；肉基食品材料則因內(nèi)部異質(zhì)結(jié)構(gòu)（如脂肪顆粒）的阻尼作用，展現(xiàn)出無明顯峰值、進入平臺波動的切割力，表明其破壞主要通過延性撕裂與材料流動實現(xiàn)。這些行為差異無法僅用材料剛度或斷裂韌性解釋，而必須考慮界面與耗散機制的作用。

進一步借助計算模型對物理機制進行剝離分析，研究獲得了以下核心發(fā)現(xiàn)。首先，切割起始并非在刀具邊緣，而是發(fā)生在樣品中心正下方的區(qū)域，該區(qū)域因側(cè)向約束形成較高的應(yīng)力集中，成為失穩(wěn)擴展的起點。其次，與通常假設(shè)不同，切割過程中的切向阻力主要來源于材料與刀具間的黏附及磨損效應(yīng)，而庫侖摩擦的貢獻因切割表面極低的接觸壓力而可忽略不計。這一定性結(jié)論通過參數(shù)敏感性分析得到驗證——即使將摩擦系數(shù)設(shè)為零，模型仍能準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)水凝膠與肉基材料的切割力曲線。再者，壓入到切割的轉(zhuǎn)變穩(wěn)定性受能量耗散路徑控制：若材料本身或界面耗散較弱（如明膠水凝膠），儲存的彈性能會突然釋放，導(dǎo)致切割力驟降；反之，若界面黏附顯著或材料內(nèi)部存在異質(zhì)阻尼結(jié)構(gòu)（如彈性體與肉基材料），則能量被逐步吸收，轉(zhuǎn)變過程平滑穩(wěn)定。最后，研究提出了一組關(guān)鍵無量綱參數(shù)，將材料剛度、斷裂韌性、黏附強度與阻尼效應(yīng)統(tǒng)一于同一框架中，實現(xiàn)了對不同軟材料切割行為的系統(tǒng)表征與預(yù)測。

該研究通過實驗觀測與計算模擬的深度融合，建立了首個能夠統(tǒng)一描述軟材料切割中材料響應(yīng)、界面力學(xué)與能量耗散耦合作用的物理框架。它不僅揭示了黏附（而非摩擦）在切向阻力中的主導(dǎo)作用，闡明了切割起始與擴展的幾何約束效應(yīng)，也為理解材料異質(zhì)性對破壞過程的影響提供了新視角。這一成果為手術(shù)刀具的優(yōu)化設(shè)計、食品質(zhì)構(gòu)的工程化調(diào)控、以及軟材料在機器人抓持與加工中的性能評估提供了理論基礎(chǔ)與方法工具，標(biāo)志著軟物質(zhì)力學(xué)在破壞機理研究方面邁出了重要一步。

 

相關(guān)鏈接：

Moreno-Mateos M A, Steinmann P. Cutting soft materials: how material differences shape the response [J/OL]. npj Computational Materials. (2026-01-06)[2026-01-21]. https://www.nature.com/articles/s41524-025-01869-y.