機(jī)械超材料正在成為新材料領(lǐng)域的主角

作者：吳玲玲，西安交通大學(xué)制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副教授；周濟(jì)，清華大學(xué)材料學(xué)院教授、中國工程院院士
來源：科技導(dǎo)報(bào)

近年來，受益于3D打印先進(jìn)制造技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)方法的快速發(fā)展，機(jī)械超材料的研究取得了卓越的成果，實(shí)現(xiàn)了一系列自然界罕見甚至不存在的反常規(guī)、反直覺的力學(xué)性能。本文從機(jī)械超材料的特異力學(xué)性能、智能化設(shè)計(jì)方法和基于增材制造的加工工藝三個(gè)方面回顧了2021年度的相關(guān)研究熱點(diǎn)，重點(diǎn)關(guān)注了機(jī)械超材料與機(jī)器學(xué)習(xí)、模塊化設(shè)計(jì)和3D打印制造工藝的融合。

隨著超材料在電磁學(xué)領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，它逐漸成為一種探索新奇性能的設(shè)計(jì)思路，通過人工構(gòu)筑單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)超材料整體性能的調(diào)控。在諸多超材料研究領(lǐng)域，機(jī)械超材料是一個(gè)備受矚目的方向。機(jī)械超材料嚴(yán)格受控于其內(nèi)部的單元結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)自由度遠(yuǎn)遠(yuǎn)廣于自然材料。而正是對(duì)單元結(jié)構(gòu)的巨大可操作性，機(jī)械超材料打開了一個(gè)探索特異力學(xué)性能的大門，大大拓展了新材料的設(shè)計(jì)空間，催生了一系列反常規(guī)甚至反直覺的力學(xué)特性。因此，機(jī)械超材料的推廣應(yīng)用，對(duì)于基礎(chǔ)研究、工程應(yīng)用和人們的日常生活都有著重要的研究意義，打破了人類對(duì)傳統(tǒng)材料力學(xué)屬性的認(rèn)知局限。

基于機(jī)械超材料可以實(shí)現(xiàn)可編程、自決策、邏輯運(yùn)算等自然材料不具備的特性。隨著人類對(duì)太空、深海、核輻射等極端環(huán)境的探索不斷深入，對(duì)一種甚至多種特異力學(xué)性能的需求也愈發(fā)迫切。機(jī)械超材料已然成為探索力學(xué)世界的先行者以及促進(jìn)力學(xué)與其他學(xué)科交融的催化劑。

機(jī)械超材料的特異力學(xué)性能
通過人工設(shè)計(jì)等效力學(xué)參數(shù)，研究人員實(shí)現(xiàn)了可控制聲波傳輸?shù)穆晫W(xué)超材料，從而獲得聲隱身、聲學(xué)超透鏡等功能。聲學(xué)超材料所呈現(xiàn)的新奇力學(xué)性能本質(zhì)上源自對(duì)其等效模量和質(zhì)量密度的自由操控。

除此之外，可被人為干預(yù)的力學(xué)參數(shù)還包括泊松比、熱膨脹系數(shù)等。此類機(jī)械超材料往往具有一個(gè)或多個(gè)反常的等效力學(xué)參數(shù)值，在生物醫(yī)療、精密儀器、吸能隔振等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

反常力學(xué)參數(shù)
反常力學(xué)參數(shù)的實(shí)現(xiàn)往往需要復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和多種材料的結(jié)合，采用傳統(tǒng)的制造工藝很難實(shí)現(xiàn)。

隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，制造問題逐步得到解決，有關(guān)反常力學(xué)參數(shù)的超材料研究也相繼從理論探索走向工程應(yīng)用。例如，將負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)與形狀記憶材料相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)超材料形狀在制作之后的人工調(diào)整，呈現(xiàn)出具有特定記憶性能的4D打印效果。

△具有形狀記憶效果的二維拉脹結(jié)構(gòu)

負(fù)熱膨脹也是反常力學(xué)參數(shù)的典型代表。采用熱膨脹性能不同的2種材料相結(jié)合的方法，可以實(shí)現(xiàn)熱膨脹系數(shù)可人工調(diào)控的機(jī)械超材料。

近日，清華大學(xué)研發(fā)了一種具有雙軸熱收縮特性的液晶彈性體負(fù)熱膨脹超材料，并與醫(yī)用敷料相結(jié)合，用作防護(hù)傷口的醫(yī)用貼片，具有透氣性強(qiáng)、避免疤痕生成的優(yōu)點(diǎn)。

△負(fù)熱膨脹液晶彈性體醫(yī)用貼片

基于機(jī)械超材料，還可以操控結(jié)構(gòu)整體的等效剛度，獲得負(fù)剛度、或接近于零甚至絕對(duì)等于零的等效剛度，此類結(jié)構(gòu)可被廣泛用于工程中對(duì)低頻或超低頻機(jī)械振動(dòng)的屏蔽，有效保護(hù)人員和精密儀器不受振動(dòng)的影響。

例如，采用Tachi-Miuraorigami折紙結(jié)構(gòu)，并將其與正剛度的彈性元件結(jié)合，可以便捷地實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)零剛度隔振器，展現(xiàn)出了優(yōu)良的低頻隔振性能和靈活的可設(shè)計(jì)性。

△基于Tachi-Miura類型折紙結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)零剛度隔振超材料

可重復(fù)編碼
超材料最大的特點(diǎn)是其單元性能可被人工調(diào)控，從而在空間分布上呈現(xiàn)各向異性特征。

例如，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員提出了一種具有穩(wěn)定記憶性能的機(jī)械編碼存儲(chǔ)超材料，采用雙穩(wěn)態(tài)單元表征數(shù)據(jù)中的0和1，可以將信息存儲(chǔ)在陣列排布的機(jī)械結(jié)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)類似電子計(jì)算機(jī)的硬盤讀寫功能。這種機(jī)械存儲(chǔ)方法具有安全性高、可重復(fù)擦寫、能耗低等特點(diǎn)。

△具有穩(wěn)定記憶的可重復(fù)編程機(jī)械存儲(chǔ)超材

天津大學(xué)陳焱教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種具備多種變形方式的可重構(gòu)單元，并以“搭積木”的方式構(gòu)建三維機(jī)械超材料，實(shí)現(xiàn)了泊松比在（-∞，+∞）范圍內(nèi)的獨(dú)立編碼。

△具有多變形路徑且泊松比可人工編碼功能的機(jī)械超材料

機(jī)械計(jì)算
采用機(jī)械超材料可以實(shí)現(xiàn)具有運(yùn)算和自決策能力的智能結(jié)構(gòu)，在太空探索和非電驅(qū)的極端環(huán)境下有著廣泛的應(yīng)用價(jià)值。而機(jī)械計(jì)算的基礎(chǔ)是基本邏輯門的構(gòu)筑。

目前，已經(jīng)有很多相關(guān)的研究成果被報(bào)道，大多基于雙穩(wěn)態(tài)或多穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，例如采用可翻轉(zhuǎn)的雙穩(wěn)態(tài)剪紙結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)基本邏輯門的構(gòu)建。

△采用雙穩(wěn)態(tài)可折疊結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)基本邏輯門構(gòu)建

基于此類機(jī)械邏輯門單元，可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算模塊的整合，實(shí)現(xiàn)機(jī)械計(jì)算體系。未來的機(jī)械超材料將被賦予信息處理和邏輯運(yùn)算的能力。

△信息處理作為一種基本的材料屬性服務(wù)于機(jī)械運(yùn)算體系

機(jī)器學(xué)習(xí)與機(jī)械超材料
機(jī)械超材料的研究包含設(shè)計(jì)和制造2個(gè)環(huán)節(jié)，其中設(shè)計(jì)問題是超材料的核心問題，尋求多功能超材料的自動(dòng)化、模塊化設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

所謂的自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)，即指定超材料的目標(biāo)性能，以自動(dòng)化的方式、快速地給出易于制造的微結(jié)構(gòu)布局，這對(duì)機(jī)械超材料在工業(yè)界的推廣和應(yīng)用極有意義，而機(jī)器學(xué)習(xí)的迅猛發(fā)展，恰為超材料的自動(dòng)化設(shè)計(jì)提供了便捷的工具。

例如，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法相結(jié)合可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)彈性模量的最大化和波速最小化的雙目標(biāo)功能，并可以兼顧超材料的可制造性。得到的機(jī)械超材料在沖擊作用下表現(xiàn)出最優(yōu)化的力學(xué)性能。

△將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法相結(jié)合實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)下的最優(yōu)力學(xué)性能

同樣地，將機(jī)器學(xué)習(xí)算法引入到負(fù)泊松比超材料的設(shè)計(jì)中，可以有效搜索出最優(yōu)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)超材料的快速智能設(shè)計(jì)。

△采用遺傳算法自動(dòng)搜索負(fù)泊松比機(jī)械超材料最優(yōu)參數(shù)

3D打印與機(jī)械超材料
機(jī)械超材料的核心是通過人工控制內(nèi)部微結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)整體特異力學(xué)性能，往往具有復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，很難用傳統(tǒng)的制造工藝實(shí)現(xiàn)。所以，制造問題曾一度成為機(jī)械超材料發(fā)展的重要阻礙。

隨著先進(jìn)制造技術(shù)的快速發(fā)展，尤其是3D打印技術(shù)的不斷推廣，機(jī)械超材料的晶格結(jié)構(gòu)也經(jīng)歷了從宏觀尺度不斷向微米甚至納米尺度發(fā)展的“小型化”過程，許多具有精細(xì)設(shè)計(jì)的微結(jié)構(gòu)功能材料不斷地涌現(xiàn)出來。

這些結(jié)構(gòu)往往都具有輕量化、高強(qiáng)度、一體化成型的優(yōu)點(diǎn)，為其在工業(yè)中的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。目前，3D打印已經(jīng)成為三維復(fù)雜機(jī)械超材料的主流制造方法。例如，采用3D打印可以實(shí)現(xiàn)具有熱膨脹系數(shù)可正可負(fù)的陶瓷機(jī)械超材料，性能可人工調(diào)控的張拉結(jié)構(gòu)以及軟硬可控的連鎖超材料等。

△采用3D打印制造工藝實(shí)現(xiàn)復(fù)雜機(jī)械超材料的輕量化、一體化快速成型（a）具有負(fù)熱膨脹效應(yīng)的陶瓷機(jī)械超材料；（b）性能可編程的張拉結(jié)構(gòu)；（c）軟硬可調(diào)控的連鎖形機(jī)械超材料

隨著3D打印制造工藝的不斷成熟和完善，可打印的材料也越來越全面，一些長期止步于理論研究的復(fù)雜超材料開始逐步邁向應(yīng)用。

結(jié)論
機(jī)械超材料不僅僅是常規(guī)自然材料的補(bǔ)充，它已經(jīng)逐步成為新材料領(lǐng)域的主角，被賦予了更加豐富的功能特性，包括可重構(gòu)、可編程、自決策及機(jī)械運(yùn)算等。未來，自然材料的功能屬性將逐漸淡化，更多情況下將以原材料的形式作為功能性超材料的組分。

結(jié)合人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)算法以及3D打印先進(jìn)制造工藝，機(jī)械超材料可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢：巨大的可設(shè)計(jì)性和靈活的人工調(diào)控能力。