在威斯康辛大學麥迪遜分校，機械工程師們開發了一個新框架，旨在加速設計緩衝泡沫材料的過程，這些材料廣泛應用於體育和軍事頭盔以及太空船著陸支架等領域。對於工程師和設計師而言，這個框架就像是一張GPS地圖，指引他們穿越泡沫設計的複雜地形，從而節省了數月的反覆試驗和錯誤時間。該研究的負責人、威斯康辛大學麥迪遜分校的機械工程副教授Ramathasan Thevamaran表示：「我們開發了一個新穎的設計框架，幫助設計師創造出具有特定幾何形狀的緩衝材料，能夠精確地滿足他們的需求，而不會增加重量或體積。」這一框架允許設計師根據多樣的應用需求自定義材料，以獲得最佳性能，並且無需經歷大量的實驗試錯過程。
在重新思考泡沫設計的過程中，傳統的泡沫設計通常專注於保持恆定的應力平臺，其迭代過程主要針對機械性能的優化，而設計師往往忽略了墊片厚度或表面面積對性能的影響。威斯康辛大學麥迪遜分校的團隊採取了不同的方式，將厚度、面積和機械性能一起考慮。他們發現，在某些衝擊情境下，具有非線性應力-應變響應的泡沫材料能夠超越那些保持恆定應力水平的材料。Thevamaran表示：「這項工作顯示，傳統上被認為是‘理想吸收器’的泡沫材料並不總是最佳選擇。我們展示了具有非線性響應的泡沫材料實際上可以提供更廣泛的設計空間，特別是在需要緊湊墊片設計的情況下。值得注意的是，這些發現是相當普遍的，並適用於多種材料系統，包括超材料。」
這一框架能夠與多種材料系統協同工作，可能還能指導下一代超材料、柔性機器人組件以及車輛中的能量吸收結構的設計。研究人員的框架利用泡沫的厚度、面積和材料特性等輸入，生成一個設計圖，最大化能量吸收能力。設計師可以在不斷的試錯過程中，針對最小厚度、輕質量或兩者同時進行優化。為了展示這一框架，研究團隊將其應用於他們正在開發的垂直排列碳納米管泡沫，實現了不同應用的最佳保護性能。目前，該框架已在網上免費提供給全球的設計師和工程師使用。
團隊預想，未來的框架迭代可能會集成基於人工智慧的優化功能，使設計師能夠在幾分鐘內快速模擬數百種材料配置。這項研究於2025年8月4日發表在《自然通訊》上，未來可能改變保護材料的設計方式，為輕量化、更高效以及針對特定應用的緩衝解決方案開啟新局面。
