2024【研究】具有可编程功能的数字机械超材料

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一、研究背景

随着极端服役环境和智能设备性能需求的提升，对具有可调、可控、多功能变形能力的材料的需求日益迫切。现有智能材料（如形状记忆材料、磁响应材料）的功能主要受限于其固有特性，调控范围有限。机械超材料通过人工结构设计，能够实现超越基础材料的性能，其中可编程机械超材料因其能够通过机械设置实现复杂变形行为而备受关注。

然而，现有可编程超材料的设计仍面临一个核心瓶颈：结构变形模式与宏观功能之间存在强耦合，即改变结构往往同时改变多种性能，这使得功能的独立设计与灵活编程变得困难。因此，如何解耦结构设计与性能设计，实现像数字信息一样对材料功能进行独立、灵活的“编程”，成为该领域的关键挑战。

二、研究方法

本研究采用 “实验测试、理论分析与有限元模拟（FEA）相结合” 的系统研究方法：

1. 设计策略：提出“数字机械超材料”概念。将双稳态柔性梁的两种稳定状态定义为数字比特 “0” 和 “1”。一个基本单元由8根双稳态梁、4根三折梁和2根刚性横梁通过榫卯结构组装而成。

2. 编码与编程：通过设置8根双稳态梁的状态，形成一个8位二进制编码（如{00000000}）。不同的编码组合对应单元不同的初始构型，从而在压缩载荷下激发出三种截然不同的、稳定的变形模式：压缩-扭转耦合（CTC）、压缩-剪切耦合（CSC）和纯压缩（PC）。

3. 性能表征：

• 实验：使用万能试验机进行准静态压缩测试，结合高速摄像记录变形过程，测量应力-应变曲线、扭转角、剪切位移等。

• 仿真：利用Abaqus进行有限元分析，研究变形机理、应变能密度，并验证设计的稳定性准则。

• 理论：基于梁弯曲理论，建立了三折梁失稳与双稳态梁状态切换的力学模型，推导出防止非预期状态切换的设计准则（关键几何参数关系）。

4. 功能验证：通过构建 DMM阵列，实验演示了其在信息加密传输、刚度编程、冲击吸能/减振、可调力传递等多方面的应用。

三、研究意义

1. 范式创新：提出了 “数字编码”驱动材料功能设计 的新范式。它将材料的功能设计转化为对离散数字状态（比特）的编程，从根本上实现了结构设计与性能设计的解耦，极大地提升了材料功能的可编程性、多样性和设计自由度。

2. 功能突破：单个材料平台即可实现多种互不干扰的力学功能（如独立控制运动模式与刚度），克服了传统可编程材料功能单一的局限。

3. 应用广泛：展示了该DMM在信息器件（加密）、智能防护（吸能）、可调隔振、柔性机器人等多个前沿领域的巨大应用潜力，为下一代智能机械系统提供了核心材料解决方案。

四、创新点

1. 概念创新：首创 “数字机械超材料” 概念，将信息科学中的“数字比特”与“编程”思想引入材料力学性能设计。

2. 结构设计创新：设计出一种基于双稳态梁和三折梁的复合单元结构，通过同一结构的不同数字编码，激发出三种本质不同的稳定变形模式（CTC, CSC, PC），而非仅调控变形幅度。

3. 性能解耦创新：实现了 “状态控制”与“变形承载”的功能分离。双稳态梁仅用于设定初始状态（数字编码），而不直接参与主要变形；承载和变形由三折梁主导。这种解耦设计简化了控制，提高了系统可靠性。

4. 功能集成创新：在一个均质材料系统中，无需改变整体结构或材料，仅通过外部可重编程的数字编码，即能动态、可逆地切换多种高级功能，实现了前所未有的 “一材多用” 和 “功能实时重构” 能力。

一、主要结果

1. 成功实现了三种可编程的、稳定的变形模式

通过编程8根双稳态梁的数字状态（0或1），单个DMM单元在压缩下可展现出三种截然不同的变形响应：

• 压缩-扭转耦合（CTC）：压缩至一定应变（如7.1%）后触发显著扭转。

• 压缩-剪切耦合（CSC）：压缩与剪切变形同步发生，呈近似线性关系。

• 纯压缩（PC）：仅发生轴向压缩，无耦合变形。

实验与模拟验证：结合压缩实验和有限元分析，证实了各模式的变形轨迹、刚度差异及应变能最小化原理。

2. 建立了DMM的稳定设计准则

研究揭示了防止非预期状态切换、保持编程功能稳定的关键机制：

• 核心冲突：压缩载荷下，三折梁的失稳与双稳态梁的状态切换相互竞争。

• 设计规则：通过理论模型与实验，明确了三折梁厚度（t_p） 和双稳态梁厚度（t） 的匹配关系。减薄三折梁可促使其先失稳，从而“锁死”双稳态梁的状态，确保编程模式在加载过程中的稳定性（图3）。

• 指导意义：该准则为实现可靠、可预测的功能编程提供了关键参数依据。

3. 演示了基于DMM的多功能应用

通过构建DMM阵列，实验验证了其广泛的可编程功能：

二、核心讨论与展望

1. 范式创新：从“模拟”调控到“数字”编程

本研究最核心的贡献在于提出并验证了一种 “数字编程”材料功能的新范式。与传统方法（连续调整几何或载荷）不同，它将材料功能离散化为由二进制编码控制的、明确区分的几种状态（如CTC、CSC、PC）。这实现了结构设计与性能设计的根本性解耦——设计师可像编写软件一样，通过“编码”独立指定所需功能，而无需重新设计物理结构。

2. 性能解耦的关键：功能分离式设计

DMM的创新结构实现了 “状态设定”与“承载变形”的分离：

• 双稳态梁：仅作为数字比特，提供可重写的初始状态（0/1），基本不参与主体变形。

• 三折梁：作为功能执行单元，根据接收到的不同初始条件（由双稳态梁状态决定），产生不同的主要变形模式。这种分离设计简化了控制逻辑，提高了系统的可靠性和可编程性。

3. 可扩展性与通用性潜力

• 空间拓展：单元可扩展为大规模阵列，通过每个单元的独立编程，实现更复杂、更宏观的功能调控（如文中3×3阵列展示的刚度连续编程）。

• 跨尺度制造：该设计理念可适用于从微纳米（如双光子3D打印）到宏观尺度（如模塑）的加工。

• 材料智能化延伸：双稳态梁可采用形状记忆聚合物、磁致或电致活性材料等智能材料制造，从而赋予DMM远程、非接触、自适应的状态编程能力，推动其向更高程度的智能化发展。

4. 与AI驱动超材料设计的对比

与此前分析的 《AI-Based Metamaterial Design》 相比，本文代表了一条互补的技术路径：

• AI驱动路径：侧重于利用人工智能算法（如GAN、神经网络）在海量设计空间中逆向搜索或生成满足复杂性能目标的最优微结构，核心是“发现”。

• 数字编程路径：侧重于设计一种基础物理单元，其本身内置了几种明确、离散的功能模式，并通过数字化指令进行切换，核心是“控制”与“调用”。两者共同指向了未来材料设计的智能化趋势：AI可用于优化DMM本身的单元设计，而DMM的数字编程框架则为AI提供了清晰、可操作的功能控制接口。

三、结论总结

本研究成功创造了一种具有数字编程能力的机械超材料。其核心在于通过双稳态结构编码，使单个材料单元能可靠地切换于多种本质不同的变形模式之间，从而实现了对刚度、运动形式、能量吸收和波传递等多种力学功能的“一键切换”。这项工作不仅展示了在信息加密、自适应防护等领域的即时应用前景，更重要的是为开发新一代可现场重构、功能按需定制的智能物质系统奠定了坚实的理论与技术基础。