力学性能私人定制：用积木搭出你爱的形状

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在一个美丽的传说中，有一位数学家，为了寄托对心上人的爱意，费尽心血，在生命的最后时刻写下了传世的心形线公式，留下了爱她的形状。几百年后的今天，有一群人，用一种更简单直白的方式来表达心意——用积木搭出爱你的形状。

长期以来，力学家们为了设计出具有特定力学曲线的材料，绞尽脑汁，反复进行着大量复杂繁琐的力学推导和计算，努力逼近想要的曲线形状；而今天，来自北京航空航天大学的科研团队，用一种快速简单的方式定制材料力学性能——用积木直接搭出想要的力学曲线。

“威龙”腾空、“神舟”飞天、“祝融”探火……航空航天、国防军事等领域的高速发展，要求未来先进材料和结构在制备完成后依然具备力学性能可调，并且能够实现针对目标性能的实时调整的特点，以满足多任务应用、多功能实现、多场景适应的需求。而以往以目标性能为导向的逆向设计方法，都需要复杂的力学分析和繁琐的迭代优化计算。因此，如何将性能定制过程精简化、直观化、快速化，是解决这一挑战的关键。近日，北京航空航天大学航空科学与工程学院陈玉丽教授课题组通过搭积木的方式实现了对材料力学性能的快速定制。相关研究成果以“A stair-building strategy for tailoring mechanical behavior of re-customizable metamaterials”为题在线发表于国际权威期刊Advanced Functional Materials。

性能定制，实时可见

积木承载着人们孩童时天马行空的想象力。一堆简单的小块，却能搭出丰富多变的物体。高楼大厦、车水马龙就在简单的堆砌排列中屹立眼前。设想在积木的世界里，一条目标应力-应变曲线，便可以看作是一段要搭的楼梯。台阶向右走，是应变的增加；台阶向上走，是应力的增加。那么这条曲线，就可以用“力学积木”随意拼搭而成。力学曲线的定制，竟能如此简单。

图1. “搭楼梯”策略示意图：a) 楼梯、台阶和砖块；b) 三层级结构：阵列、模块和单元。

结构设计，化繁为简

那么，如何在现实中实现“力学积木”可拼搭的设想呢？他们基于前期的三维像素力学超材料（Advanced Materials. 2019. doi: 10.1002/adma.201900548），提出了一种更通用的阵列化超材料，简化了结构和力学性能的关系。这种超材料由若干平行排列的模块组成，而每个模块又由多个单元串联组成。由于阵列化的设计，超材料的性能可以直接由单元性能叠加得到，从而为积木拼搭的实现提供了力学基础。这样，结构和力学的关系得到了大幅简化，具有一一对应关系：单元对应了一个“力学积木”；模块对应一行“力学积木”；阵列对应整个楼梯。因此，就可以直接根据楼梯的台阶数量数出单元和模块的结构信息。

图2. “搭楼梯”策略的力学原理：各层级力学性能的线性叠加关系

同一材料，多条曲线

是否存在一种简单可行的方法，使材料加工完成后性能还能实时可变呢？他们选择了双稳态单元来构造这种超材料。这种双稳态单元，具有两种可相互切换的不同稳定状态，对应不同的力学性能——一个“力学积木”或者一个“空位”（零个“力学积木”）。只需调节模块中单元的不同状态，便能调节每行“力学积木”的个数，从而调节整个“楼梯”的形状。由此，便能在一块材料中实现多条力学曲线的反复定制和再定制。

图3. 在同一材料中定制四条不同曲线

多种方案，任君挑选

积木种类繁多、大小各异，搭出一个物体的积木组合方式不胜枚举。同样地，搭出一个“楼梯”的“力学积木”堆积方案也多种多样。为此，他们提出了三种各有优势、实用性强的定制方案（图3）。三个方案都能实现诸如凹形、平台形和凸形曲线的快速定制。在应用中可以根据实际需求选取最佳的方案。

图4. 三种不同方案对凹形、平台形和凸形曲线的定制

去定制你爱和爱你的曲线

与现有的性能定制方法不同，该策略无需复杂的力学分析过程和繁琐的迭代优化计算，巧妙地通过“搭楼梯”的可视化过程，实现了材料力学性能的快速定制，并且大范围拓宽了材料的制后性能调节空间，能够帮助你得到你爱的形状，更有助于指导未来先进材料和结构的研发和应用。

北京航空航天大学陈玉丽教授、潘飞博士为共同通讯作者，课题组博士生林新为论文第一作者。合作者还包括北航航空学院丁彬副教授、北航材料学院管娟副教授、中山大学杨奎坚助理教授和清华大学刘彬教授。这一工作得到了国家自然科学基金、国家博士后创新人才支持计划、中国博士后科学基金和先进无人飞行器北京市高精尖学科中心基金项目的支持。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202101808

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