膨胀/生长驱动的双层管状结构形态形成的实验研究

本文利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)的膨胀变形，对双层管状器官中的图样形成与演化进行实验研究，旨在与理论和有限元结果作充分比较。为建立建模与仿真中的孪生模型，通过单轴拉伸与纯剪切试验估算了不可压 neo-Hookean 材料中的剪切模量。制备了五种具有不同材料或几何参数的双层管。在保障平面应变变形的独立实验装置中对这些样品进行膨胀实验，观察到若干表面图样及相应的模态转换，即折痕、褶皱、倍周期轮廓、褶皱-折痕转变以及褶皱-倍周期转变。特别地，还观察到了界面褶皱图样。为作比较，借助 Stroh 公式在有限弹性框架内进行了屈曲分析。此外，采用有限元分析追踪表面失稳的演化。结果表明实验发现与理论预言及有限元结果吻合良好。由实验发现，当两层具有相近力学性质时，折痕模态可能取代褶皱模态出现。期望本工作能为管状结构中的图样形成提供新的实验见解，且实验、理论与仿真结果间良好的一致性为现象学生长模型足以揭示管状组织复杂表面形貌背后的机制提供了有力证据。