中大设计力学超材料，比同类材料吸能能力和重用性提高2个数量级

吸能材料主要分为单次使用和可重复使用两种类型。现阶段，能量吸收能力与重复使用之间存在一种天然的矛盾。

具体来说：

单次使用的材料吸能能力好，如金属蜂窝结构和金属泡沫，它们在单次冲击下表现出色，但往往只能一次使用，无法满足重复使用的需求。

另一类是可重复使用的吸能材料，它们虽然满足重复使用的需求，但其缺点是吸能能力比一次性材料低 1 到 2 个量级。

为解决上述挑战，中山大学课题组提出了一种利用双稳态和张拉整体结构的新型力学超材料，实现了材料高效的吸能能力和可重复使用的特性。

日前，相关论文以《基于双稳态张拉整体结构的非局域变形增强型可重复使用能量吸收超材料》（Delocalized Deformation Enhanced Reusable Energy Absorption Metamaterials Based on Bistable Tensegrity）为题发表在Advanced Functional Materials[1]。

中山大学博士生杨昊、张捷是共同第一作者，中山大学吴嘉宁副教授、北京航空航天大学潘飞副教授和中山大学吴志刚教授担任共同通讯作者。

图丨相关论文（来源：Advanced Functional Materials）

研究人员注意到，在大型客机遭受鸟撞击时，只有撞击点附近区域直接参与了能量吸收和抵御冲击的过程，而飞机的其他部位并未受到影响。

这一现象启发了他们，或许可以设计一种材料，使其所有部分都参与到吸能的过程中，以此提升材料的能量吸收性能。基于这一理念，他们利用张拉整体结构的应力自平衡特性设计了一种新型力学超材料。

该材料在捕蝇草的稳态切换行为中汲取灵感，通过精巧的结构设计，在保持材料的弹性形变阶段实现显著的大变形，确保了其在不发生断裂和塑性变形的情况下能够被反复使用，从而大大提高了材料的耐用性。

该课题组在传统张拉整体材料的基础上，引入了仿生学理念和双稳态结构，让材料的可重复高效吸能成为可能。

张拉整体结构的特点在于，其能够实现去局部变形机制。通过采用一种创新的“连接策略”，整个超材料均能实现去局部变形。

由于变形前后通过预编程设定的两种稳定态处于不同的能量等级，结构在两个状态间的切换则伴随着能量吸收与释放。与之对比的是，传统的张拉是稳定结构，并不会出现双稳态。

比起传统张拉构建的超材料，这项技术的优势在于，它可以让超材料具有可重复使用特性，同时保留了张拉整体结构的去布局变形特性，让所有单元都参与到能量吸收中，从而更有效地应对点状的集中冲击。

（来源：Advanced Functional Materials）

为确定材料的性能效果，研究人员将该材料与可重复使用的材料进行对比。

结果显示，前者在可重复实用性和性能能力方面比后者高出 2 个数量级，能量吸收可达到 26.4kJ/(kg·m²)。尤其是在经过 1 万次循环测试后，结构也未发生明显损伤，整体吸能能力也仅降低了 8%。

而传统力学超材料往往经历数次压缩后就无法正常使用了，并且双稳态材料大约在百次以内也会失效。

此外，该材料在应对集中冲击时表现出优异的能量吸收系统效果，能够在小面积加载点触发下，同步促进包括数个基本单元同步吸收能量（论文中展示数量为 36 个），超越了传统可重复使用材料的表现。

“基于这些表现，我们可以认定，这种材料在弹性变形阶段应对点状冲击的吸能能力几乎可以媲美金属泡沫通过塑性变形实现的吸能效果。”杨昊说。

（来源：Advanced Functional Materials）

在太空领域，张拉整体结构因其独特的优势已经被广泛应用于天线和航天器等设备。目前，该团队所开发的新型超材料有望进一步扩展它的应用范围，特别是在零件制造和航空航天领域，例如火箭和月球着陆器等设备。

需要了解的是，这种新型超材料主要由三类元件构成：3D 打印的 L 型构件、绳索和弹簧。

据研究人员预计，结合网状结构，通过将现有的树脂材料或普通绳索替换为更适合太空环境的材料后，这种超材料还有望用于柔性捕获太空垃圾。

杨昊解释说道：“由于太空垃圾的大小和形状各异，它们可能会撞击到网状结构的任意部位。而这种搭载组合的巧妙之处在于，无论太空垃圾撞击在哪里，都能触发整个结构变形与的能量吸收和缓冲效果，实现更柔和的捕获效果的同时还能重复使用。”

谈及这种材料的成本，他表示，这些元件基本是市场中通用的零件，并没有很高的成本。如果用增材制造的方式进行大规模生产，可以选择价格更低的 3D 打印技术，或选择注塑的方式制备这种材料。

图丨杨昊（左）与吴嘉宁（来源：杨昊）

双稳态构型因其在新能源材料领域具有应用前景而备受关注，因此该课题组将在以下三个方向开展探索：

首先，将该构型应用于自适应机器人抓手的设计，以探索基于此制备的抓手是否能够实现打开和关闭状态之间的快速切换，实现双稳态控制效果。

其次，将利用双稳态构型的天然二进制特性——类似于数字 0 和 1 的状态，探索其在机械计算领域的应用潜力，即通过结构或材料的方式进行逻辑运算和信息存储。

最后，针对超材料目前仅能实现“并联”效果的局限性，研究人员希望对力学曲线进行可控编程，通过“串并联”的结合，实现超材料能量吸收能力的定制化。这些探索将为双稳态构型超材料的应用开辟更多的可能性。

参考资料：

1.Hao Yang, Jie Zhang, Ji Wang, Jinbo Hu, Zhigang Wu, Fei Pan, Jianing Wu .Delocalized Deformation Enhanced Reusable Energy Absorption Metamaterials Based on Bistable Tensegrity.Advanced Functional Materials(2024). https://doi.org/10.1002/adfm.202410217

排版：刘雅坤