科学家利用材料塑性设计力学超材料，让材料能以任意程度实现屈曲

力学超材料是通过精心设计的内部结构来实现超常规的力学性能的一类材料，超材料的设计通常注重其内部的几何结构，而往往忽略了组成其结构材料本身的非线性力学特征。

尽管当前超材料仅通过内部特殊的几何结构发现了很多新奇且优异的力学性能，但其局限性也十分明显，比如仅通过结构设计就很难使超材料同时具备高刚度和高的能量耗散。前者主要用作承载，而后者则用于吸收冲击和震动的动能。

基于此，荷兰阿姆斯特丹大学博士生刘文峰和所在团队设想：是否可以结合材料本身的非线性力学特征和超材料的几何结构设计出一类新的超材料来解决上述问题？

为此，他们探索了材料中一个常见特性——塑性，即探索材料在受到过载时的失效倾向（设想一下当你用力过度去弯折钢勺时会发生什么）。

科学家通常会避免材料发生塑性变形，因为这会很容易使材料变软失效。然而，通过设计和三维打印由钢材制成的超材料，他们发现塑性软化可以被用作控制超材料在压缩时变形的机制。

通常，高刚度的材料和结构在载荷达到临界值之后，会突然失效（设想踩上一个空的汽水罐会发生什么）。

而在这项工作中，他们设计的超材料不仅强度和刚度高，而且在压缩时会按顺序逐步压溃，事实上这一过程非常类似于雨伞伞把的回收过程。

之所以实现这一性能主要基于两方面：首先，他们通过超材料的几何设计来实现其失效前的高强度与刚度。其次，他们通过利用塑性软化和超材料本身的自接触强化，因此能够控制超材料的压溃过程。从而实现稳定且巨大的能量耗散。

更重要的是，这两个特性可以同时在轻量化的超材料中实现，从而能够巧妙解决材料无法同时具备强度刚度、能量吸收和轻量化的这一长期难题。

最后，使用这种策略设计的超材料可以被设计成多种几何形状和尺寸，因此这些超材料结构适用于制备多种材料，比如制备具有塑性的聚合物、金属或复合材料。

对于相关论文，审稿人表示研究人员利用材料塑性来设计力学超材料，让这些超材料能够以任意大的步骤顺序屈曲。为了更简单的指导超材料的设计，研究人员提出了“屈服屈曲”。

（来源：Nature）

具体而言，旋转方形单元的“屈服屈曲”恰好发生在弹塑性材料的屈服点，导致单元在屈曲（一种失稳形式）发生时负载下降，直到自接触发生之后负载再次增加。通过屈服屈曲和合适的超材料结构的结合，研究人员开发了一种同时具有承载能力、高强度和最大渐进能量耗散的减震器，在各种条件下，例如在不同的节点连接尺寸之下以及在不同的加载速度和离轴压缩之下，材料表现出连续减震变形的出色稳定性。

（来源：Nature）

与其他现有超材料相比，该项工作所提出的超材料设计结合了高刚度、高效减速和高能量耗散，并且可以使用不同的制造方法在广泛的规模范围内生产。

总的来说，本次论文结合材料塑性实现了超材料顺序屈曲的设计策略新颖独特，是对力学超材料领域的一项非常出色的贡献。

期刊编辑则表示本次研究构建了一种力学超材料，它可以依次屈曲以耗散大量能量，从而实现冲击吸能。通过观看该作品的视频来更好地欣赏这一过程，作者们对其工作机理以及为什么会根据材料的塑性和几何形状设计进行深入研究，使得其可以很容易地根据各种弹塑性材料和情况进行定制。

该项成果适用于结构同时承载与冲击减震吸能，直接的应用场景便是各类防护设备、汽车、飞机、火箭和地震冲击防护。

他们的工业合作者荷兰塔塔钢铁公司对这项研究非常感兴趣，他们认为该项研究在汽车的冲击防护有非常巨大的应用前景，因此这篇论文投稿之前，研究人员就联合提交了欧洲发明专利申请。除此之外，他们认为该项研究未来还可能应用于各类形变超材料，比如高性能的柔性机器人、材料的自主装、 甚至是具备“学习”能力的动态材料。

据了解，该实验室已经在超材料的变形领域研究多年。当刘文峰加入实验室时，刘文峰和导师伦丁·库莱（Corentin Coulais）教授就其博士课题方向展开过讨论，当时大概讨论了四五个方向，其中的一个方向是超材料顺序屈曲变形行为。

所以在刘文峰读博早期，他要基于实验室先前的一些工作 [1,2]，通过在超材料中设计一系列的条状零能量结构（Zero energy modes）来实现上述变形特征。

但是，当刘文峰沿着这个思路设计更高阶的顺序屈曲行为时却总是失败。直到有一天刘文峰在一本经典力学教材中读到一小段内容，其中介绍了弹塑性杆件在压缩下失稳的情况，并简单讨论了塑性和屈曲失稳之间的关系，这启发了刘文峰将塑性作为超材料的设计工具（尽管塑性在以往超材料的设计中通常被避免）。

通过此，刘文峰发现当超材料的几何结构与基材的塑性达到微妙的平衡时，会出现一种有趣的顺序行为，更有意思的是，他们发现这种由材料塑性所诱发的超材料的顺序屈曲行为，巧妙解决了超材料设计中刚度和能量耗散无法兼容的矛盾。

之后他们发现这种顺序屈曲的行为，广泛适用于各种弹塑性材料和多种超材料结构之中，并且这类超材料具备在各种工业尺寸实现大规模生产的潜力。

当他们将这一发现展示给他们在塔塔钢铁荷兰公司（一家钢铁制造商）的合作伙伴时，他们也非常兴奋，因为这可能会应用于车辆缓冲区中理想的减震设计。

之后，为了验证这一机理的可靠性，他们联系了塔塔钢铁荷兰公司的一个三层楼高工业落塔上试验装置来进行冲击测试，他们通过高速摄像机来捕捉高速冲击下超材料的变形过程。实验结果验证了这一机理的可靠性，但实验过程还是非常之惊险，尤其是当重达 25 公斤的铁块从 10 米落下之时，所带来的震动和声响还是相当之震撼。虽然整个过程实验人员都是被隔离在了落塔之外，但他们价值上百万的高速摄像机却在离落塔实验平台两米左右的距离。幸运的是，高速摄像机完好无损。

最终，相关论文以《利用序贯超材料的塑性实现理想的减震效果》（Harnessing plasticity in sequential metamaterials for ideal shock absorption）为题发在Nature[3]，刘文峰是第一作者，荷兰阿姆斯特丹大学科伦丁·库莱（Corentin Coulais）是通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Nature）

参考资料：

1.Coulais, C., Sabbadini, A., Vink, F. et al. Multi-step self-guided pathways for shape-changing metamaterials.Nature561, 512–515 (2018). https://doi.org/10.1038/s41586-018-0541-0

Oligomodal metamaterials with multifunctional mechanics

2.Aleksi Bossart et al. Oligomodal metamaterials with multifunctional mechanics

PNAS118,21, e2018610118(2021). https://doi.org/10.1073/pnas.2018610118

3.Liu, W., Janbaz, S., Dykstra, D.et al. Harnessing plasticity in sequential metamaterials for ideal shock absorption.Nature634, 842–847 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08037-0

4.Liu, W., Coulais, C. Creating new materials by turning failure on its head.Nature(2024).https://doi.org/10.1038/d41586-024-03599-5

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