三维像素力学超材料 吸管还能这样玩

力学超材料由于具备天然材料无法达到的超常力学性能而备受关注。超材料的性能主要取决于人工设计的微观结构，因此可以超越构成材料的本征性质，使材料进入“人工设计”时代。

工作介绍

目前的力学超材料设计，通常由微观结构周期排列而成。微观单元相互连接、彼此制约，严重限制了材料的局部变形能力。尽管超材料可以在均匀变形下展现出大变形、形状可重构等特性，但是在非均匀变形下，尤其是在局部大剪切应变下，超材料极易发生破坏，从而导致功能性的丧失。而局部的变形能力，既是超材料能够主动呈现复杂功能形貌的前提，也是其承受极端外载而不破坏的基础。新一代可变形飞行器、机械装甲等应用中迫切需要材料具备该性能。

为了突破这一变形限制，北京航空航天大学航空科学与工程学院陈玉丽教授的研究团队受刺猬背刺的启发，提出了一种全新的机械像素阵列设计策略。所谓机械像素，就是可以大幅伸长或缩短的柱状多稳态力学结构。众所周知，调整屏幕上像素点的颜色可以构成不同的图像，与之类似，该设计策略通过调整阵列中机械像素的高度（长度）来形成和重构超材料的稳定三维形态。阵列化的排列形式解除了微观单元间的变形约束，充分释放了单元的变形自由度，可以实现无剪切应力的局部大变形，并使材料性能指标呈现指数级增长。

陈玉丽教授团队利用吸管构型实现了这一设计策略（见图1）。他们发现，以可弯吸管为例的多稳态力学结构，具有多个稳定的长度，可以通过完全可逆的弹性变形在不同长度间切换，并能同时耗散外加的机械能，因此是设计机械像素的理想方案。

图1. 三维像素力学超材料设计方案图：(a) 受刺猬背刺排列形式启发的阵列化材料设计；(b) 受吸管启发的多稳态机械像素；(c) 具有双稳态的基本单元

阵列设计极大增强了材料的变形能力，可以使材料性能指标呈现指数级增长。结合多稳态力学结构和阵列设计，超材料具备力学性能可编程的特点，即当材料加工完成后，其力学性能还可以根据需求进行调整（见图2）。例如，一块由m个机械像素构成的超材料，若每个机械像素由n个双稳态单元组成，与非阵列化的多稳态超材料相比，其可编程的力-位移曲线数量从n+1增加到2^(mn+1)。同时，该超材料通过调节不同像素的高度，可以实现材料三维形貌的重构，其稳定形貌的数量也从非阵列化的n+1增加到了(n+1)^m。

图2. 三维像素超材料的力学行为：(a) 多稳态机械像素的力-位移曲线：具有滞回环；(b) 通过改变机械像素初始长度调节力-位移曲线；(c) 通过设计机械像素阵列的高度分布实现整体力学性能编程；(d) 超材料力-位移曲线的编程空间

由于多稳态单元具有优异的可恢复性和吸能能力且阵列结构具有良好的形状适应和形状记忆能力，该超材料在抗冲击防护领域极具应用前景（见图3）。在遭受冲击时，材料能够迅速适应冲击物表面形状，并通过稳态的转变吸收冲击能量；在移除冲击物后材料依然能够近似保持被冲击时的形态，有助于还原冲击现场。值得注意的是，阵列化的设计使超材料在遭受尖锐物体冲击时仍不发生破坏，有效避免了材料本身的损伤，可以多次重复使用。

该设计策略也为力学分析带来了便捷。由于机械像素的变形相互独立，材料的宏观力学性能可通过各像素性能线性叠加而来，大大简化了力学性能的设计和预测过程，实现了超材料的快捷设计。

图3. 三维像素力学超材料的形状可重构性和抗冲击性：(a) 超材料上可重构的稳定三维形貌：可形成具有局部大剪切应变的形貌；(b) 超材料具有形状适应性和记忆性，能快速恢复并重复使用；(c) “金蛋”跌落对比实验：超材料可以有效保护金蛋跌落不破碎；(d) 有限元模拟对比表明：相对块体材料和受约束的阵列材料，三维像素超材料具有更好的冲击防护能力，可以平稳接住细长物体；(e) 三维像素超材料在冲击过程中不产生破坏，并且能重复利用；(f) 用三维像素超材料防护的物体冲击应力最小。

该工作提出的力学超材料设计策略为可变形飞行器和机器人、火箭和飞船的回收装置、可重复使用的冲击防护系统、材料本构模拟器、机械信息存贮器等诸多领域装备和器械的设计提供了全新的思路。