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  5月10日，北京航空航天大學(xué)航空學(xué)院陳玉麗教授團(tuán)隊(duì)于《Advanced Materials》在線發(fā)表了題為“3D Pixel Mechanical Metamaterials”的研究成果。該工作從多層級(jí)力學(xué)理論分析和設(shè)計(jì)出發(fā)，提出了一種具有超強(qiáng)力學(xué)性能可編程性、復(fù)雜形狀可重構(gòu)性，并且可高效重復(fù)吸能的力學(xué)超材料設(shè)計(jì)策略，為多功能力學(xué)超材料的設(shè)計(jì)提供了新的思路。航空學(xué)院博士生潘飛為文章第一作者，陳玉麗教授為唯一通訊作者，航空學(xué)院楊嘉陵教授和清華大學(xué)劉彬教授為文章共同作者。北京航空航天大學(xué)為第一單位。該研究工作受到國(guó)家自然科學(xué)基金、教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃”和北航青年拔尖人才等項(xiàng)目支持。

  力學(xué)超材料由于具備天然材料無(wú)法達(dá)到的超常力學(xué)性能而備受關(guān)注。超材料的性能主要取決于人工設(shè)計(jì)的微觀結(jié)構(gòu)，因此可以超越構(gòu)成材料的本征性質(zhì)，使材料真正進(jìn)入“人工設(shè)計(jì)”時(shí)代。然而，目前的設(shè)計(jì)中微觀單元相互連接、彼此制約，嚴(yán)重限制了材料的局部變形能力。盡管超材料可以在均勻變形下展現(xiàn)出大變形、形狀可重構(gòu)等特性，但是在非均勻變形下，尤其是在局部大剪切應(yīng)變下，超材料極易發(fā)生破壞，從而導(dǎo)致功能性的喪失。而局部的變形能力，既是超材料能夠主動(dòng)呈現(xiàn)復(fù)雜功能形貌的前提，也是其承受極端外載而不破壞的基礎(chǔ)。新一代可變形飛行器、機(jī)械裝甲等應(yīng)用中迫切需要材料具備該性能。

  為了突破這一變形限制，陳玉麗教授的研究團(tuán)隊(duì)受刺猬背刺的啟發(fā)，提出了一種全新的機(jī)械像素陣列設(shè)計(jì)策略。所謂機(jī)械像素，就是可以大幅伸長(zhǎng)或縮短的柱狀多穩(wěn)態(tài)力學(xué)結(jié)構(gòu)。眾所周知，調(diào)整像素點(diǎn)的顏色可以構(gòu)成不同的圖像，與之類似，該設(shè)計(jì)策略通過(guò)調(diào)整陣列中機(jī)械像素的高度（長(zhǎng)度）來(lái)形成和重構(gòu)超材料的穩(wěn)定三維形態(tài)。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(shí)現(xiàn)無(wú)剪切應(yīng)力的局部大變形。

  陳玉麗教授團(tuán)隊(duì)利用吸管構(gòu)型實(shí)現(xiàn)了這一設(shè)計(jì)策略（見(jiàn)圖1）。他們發(fā)現(xiàn)，以可彎吸管為例的多穩(wěn)態(tài)力學(xué)結(jié)構(gòu)，具有多個(gè)穩(wěn)定的長(zhǎng)度，可以通過(guò)完全可逆的彈性變形在不同長(zhǎng)度間切換，并能同時(shí)耗散外加的機(jī)械能，因此是設(shè)計(jì)機(jī)械像素的理想方案。

圖1 三維像素力學(xué)超材料設(shè)計(jì)方案圖：(a)受刺猬背刺排列形式啟發(fā)的陣列化材料設(shè)計(jì)；(b)受吸管啟發(fā)的多穩(wěn)態(tài)機(jī)械像素；(c)具有雙穩(wěn)態(tài)的基本單元

  陣列設(shè)計(jì)極大增強(qiáng)了材料的變形能力，可以使材料性能指標(biāo)呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。結(jié)合多穩(wěn)態(tài)力學(xué)結(jié)構(gòu)和陣列設(shè)計(jì)，超材料具備力學(xué)性能可編程的特點(diǎn)，即當(dāng)材料加工完成后，其力學(xué)性能還可以根據(jù)需求進(jìn)行調(diào)整（見(jiàn)圖2）。例如，一塊由m個(gè)機(jī)械像素構(gòu)成的超材料，若每個(gè)機(jī)械像素由n個(gè)雙穩(wěn)態(tài)單元組成，與非陣列化的多穩(wěn)態(tài)超材料相比，其可編程的力-位移曲線數(shù)量從n+1增加到2^mn+1。同時(shí)，該超材料通過(guò)調(diào)節(jié)不同像素的高度，可以實(shí)現(xiàn)材料三維形貌的重構(gòu)，其穩(wěn)定形貌的數(shù)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(xué)行為：(a)多穩(wěn)態(tài)機(jī)械像素的力-位移曲線：具有滯回環(huán)；(b)通過(guò)改變機(jī)械像素初始長(zhǎng)度調(diào)節(jié)力-位移曲線；(c)通過(guò)設(shè)計(jì)機(jī)械像素陣列的高度分布實(shí)現(xiàn)整體力學(xué)性能編程；(d)超材料力-位移曲線的編程空間

  由于多穩(wěn)態(tài)單元具有優(yōu)異的可恢復(fù)性和吸能能力且陣列結(jié)構(gòu)具有良好的形狀適應(yīng)和形狀記憶能力，該超材料在抗沖擊防護(hù)領(lǐng)域極具應(yīng)用前景（見(jiàn)圖3）。在遭受沖擊時(shí)，材料能夠迅速適應(yīng)沖擊物表面形狀，并通過(guò)穩(wěn)態(tài)的轉(zhuǎn)變吸收沖擊能量；在移除沖擊物后材料依然能夠保持被沖擊時(shí)的近似形態(tài)，有助于還原沖擊現(xiàn)場(chǎng)。值得注意的是，陣列化的設(shè)計(jì)使超材料在遭受尖銳物體沖擊時(shí)仍不發(fā)生破壞，有效避免了材料本身的損傷，可以多次重復(fù)使用。

  該設(shè)計(jì)策略也為力學(xué)分析帶來(lái)了便捷。由于機(jī)械像素的變形相互獨(dú)立，材料的宏觀力學(xué)性能可通過(guò)各像素性能線性疊加而來(lái)，大大簡(jiǎn)化了力學(xué)性能的設(shè)計(jì)和預(yù)測(cè)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了超材料的快捷設(shè)計(jì)。

圖3 三維像素力學(xué)超材料的形狀可重構(gòu)性和抗沖擊性：(a)超材料上可重構(gòu)的穩(wěn)定三維形貌：可形成具有局部大剪切應(yīng)變的形貌；(b)超材料具有形狀適應(yīng)性和記憶性，能快速恢復(fù)并重復(fù)使用；(c)“金蛋”跌落對(duì)比實(shí)驗(yàn)：超材料可以有效保護(hù)金蛋跌落不破碎；(d)有限元模擬對(duì)比表明：相對(duì)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沖擊防護(hù)能力，可以平穩(wěn)接住細(xì)長(zhǎng)物體；(e)三維像素超材料在沖擊過(guò)程中不產(chǎn)生破壞，并且能重復(fù)利用；(f)用三維像素超材料防護(hù)的物體沖擊應(yīng)力最小。

  該工作提出的力學(xué)超材料設(shè)計(jì)策略為可變形飛行器和機(jī)器人、火箭和飛船的回收裝置、可重復(fù)使用的沖擊防護(hù)系統(tǒng)、材料本構(gòu)模擬器、機(jī)械信息存貯器等諸多領(lǐng)域和器械的設(shè)計(jì)提供了全新的思路。

  論文鏈接： https://doi.org/10.1002/adma.201900548