北京理工大學課題組在力學超材料研究方面取得重要進展
發布日期：2023-03-20 供稿：宇航學院 攝影：宇航學院
編輯：趙亞康 審核：龍騰 閱讀次數：
近日，北京理工大學大學宇航學院朱睿教授、胡更開教授研究組聯合天津大學陳焱教授研究組和美國密蘇里大學黃國良教授在可重構力學超材料研究方面取得新進展。相關成果以“Engineering zero modes in transformable mechanical metamaterials”為題，在Nature Communications上發表[Nat Commun (2023) 14:1266]。北京理工大學為第一通訊單位，北京理工大學宇航學院朱睿教授、天津大學陳焱教授為共同通訊作者，北京理工大學博士生胡洲和天津大學博士生魏志波為共同一作。該工作得到了國家自然科學基金委的資助。
力學超材料的微結構賦予了它自然材料不具備的超常特性，如負泊松比、梯度剛度、非互易響應等，也為現代工程裝備材料設計中急需解決的高效波動能量耗散與調控問題提供了新思路。通過引入微機構，力學超材料內可以產生易變形的機構位移模式（也稱為零能模式），從而實現更豐富的動態波調控。模塊化折紙技術為三維力學超材料的微機構設計帶來了多種零能模式和可重構特性，在寬低頻波動控制方面有著巨大的應用前景，如基于三維五模超材料的寬低頻水聲”隱身”斗篷。其它模式超材料也有著新穎獨特的應用。然而，能夠覆蓋零模、一模、二模、三模、四模、五模乃至六模力學超材料的系統設計方法至今仍未被提出和實現。
該論文的研究人員提出了一種零能模式可調的三維力學超材料，通過設計機構自由度相互解耦的三維模塊化折紙結構，首次實現了從零模式到六模式的設計空間覆蓋以及構型之間的可逆轉換。此外，研究人員采用3D打印技術制備了由熱塑性聚氨酯構成的樣品，驗證了多種參數配置下超材料的靜力學特性和可重構屬性，并對彈性波的可編程極化控制功能進行了探索和驗證，為可編程變構型超材料在聲學、光學、電磁學等多個領域的應用提供了參考。
上述研究探索了將機構概念進一步引入結構和材料動態設計中，為新型力學超材料設計提供了理論支撐，不僅有利于發現新的波動能量傳播現象和控制方式，同時也有望解決工程中迫切需要解決的寬低頻波動控制難題，體現了跨學科（機械-力學）合作研究的優勢。
論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-36975-2
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