三維像素力學超材料：吸管還能這樣玩？

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力學超材料由於具備天然材料無法達到的超常力學性能而備受關注。超材料的性能主要取決於人工設計的微觀結構，因此可以超越構成材料的本征性質，使材料進入“人工設計”時代。

工作介紹

目前的力學超材料設計，通常由微觀結構周期排列而成。微觀單元相互連接、彼此製約，嚴重限制了材料的局部變形能力。儘管超材料可以在均勻變形下展現出大變形、形狀可重構等特性，但是在非均勻變形下，尤其是在局部大剪切應變下，超材料極易發生破壞，從而導致功能性的喪失。而局部的變形能力，既是超材料能夠主動呈現複雜功能形貌的前提，也是其承受極端外載而不破壞的基礎。新一代可變形飛行器、機械裝甲等應用中迫切需要材料具備該性能。

為了突破這一變形限制，北京航空航天大學航空科學與工程學院陳玉麗教授的研究團隊受刺蝟背刺的啟發，提出了一種全新的機械像素陣列設計策略。所謂機械像素，就是可以大幅伸長或縮短的柱狀多穩態力學結構。眾所周知，調整螢幕上像素點的顏色可以構成不同的圖像，與之類似，該設計策略通過調整陣列中機械像素的高度（長度）來形成和重構超材料的穩定三維形態。陣列化的排列形式解除了微觀單元間的變形約束，充分釋放了單元的變形自由度，可以實現無剪切應力的局部大變形，並使材料性能指標呈現指數級增長。

陳玉麗教授團隊利用吸管構型實現了這一設計策略（見圖1）。他們發現，以可彎吸管為例的多穩態力學結構，具有多個穩定的長度，可以通過完全可逆的彈性變形在不同長度間切換，並能同時耗散外加的機械能，因此是設計機械像素的理想方案。

圖1. 三維像素力學超材料設計方案圖：(a) 受刺蝟背刺排列形式啟發的陣列化材料設計；(b) 受吸管啟發的多穩態機械像素；(c) 具有雙穩態的基本單元

陣列設計極大增強了材料的變形能力，可以使材料性能指標呈現指數級增長。結合多穩態力學結構和陣列設計，超材料具備力學性能可編程的特點，即當材料加工完成後，其力學性能還可以根據需求進行調整（見圖2）。例如，一塊由m個機械像素構成的超材料，若每個機械像素由n個雙穩態單元組成，與非陣列化的多穩態超材料相比，其可編程的力-位移曲線數量從n+1增加到2^(mn+1)。同時，該超材料通過調節不同像素的高度，可以實現材料三維形貌的重構，其穩定形貌的數量也從非陣列化的n+1增加到了(n+1)^m。

圖2. 三維像素超材料的力學行為：(a) 多穩態機械像素的力-位移曲線：具有滯回環；(b) 通過改變機械像素初始長度調節力-位移曲線；(c) 通過設計機械像素陣列的高度分布實現整體力學性能編程；(d) 超材料力-位移曲線的編程空間

由於多穩態單元具有優異的可恢復性和吸能能力且陣列結構具有良好的形狀適應和形狀記憶能力，該超材料在抗衝擊防護領域極具應用前景（見圖3）。在遭受衝擊時，材料能夠迅速適應衝擊物表面形狀，並通過穩態的轉變吸收衝擊能量；在移除衝擊物後材料依然能夠近似保持被衝擊時的形態，有助於還原衝擊現場。值得注意的是，陣列化的設計使超材料在遭受尖銳物體衝擊時仍不發生破壞，有效避免了材料本身的損傷，可以多次重複使用。

該設計策略也為力學分析帶來了便捷。由於機械像素的變形相互獨立，材料的宏觀力學性能可通過各像素性能線性疊加而來，大大簡化了力學性能的設計和預測過程，實現了超材料的快捷設計。

圖3. 三維像素力學超材料的形狀可重構性和抗衝擊性：(a) 超材料上可重構的穩定三維形貌：可形成具有局部大剪切應變的形貌；(b) 超材料具有形狀適應性和記憶性，能快速恢復並重複使用；(c) “金蛋”跌落對比實驗：超材料可以有效保護金蛋跌落不破碎；(d) 有限元模擬對比表明：相對塊體材料和受約束的陣列材料，三維像素超材料具有更好的衝擊防護能力，可以平穩接住細長物體；(e) 三維像素超材料在衝擊過程中不產生破壞，並且能重複利用；(f) 用三維像素超材料防護的物體衝擊應力最小。

該工作提出的力學超材料設計策略為可變形飛行器和機器人、火箭和飛船的回收裝置、可重複使用的衝擊防護系統、材料本構模擬器、機械信息存貯器等諸多領域裝備和器械的設計提供了全新的思路。

相關工作在線發表於《先進材料》Advanced Materials（“3D Pixel Mechanical Metamaterials”, doi: 10.1002/adma.201900548）。該研究工作受到國家自然科學基金、教育部“新世紀優秀人才支持計劃”和北航青年拔尖人才等項目支持。陳玉麗教授是論文的唯一通訊作者，其團隊博士生潘飛是論文的第一作者。論文的合作者還包括北航楊嘉陵教授和清華大學劉彬教授。