近日，南京大学现代工程与应用科学学院卢明辉教授与南京理工大学机械工程学院李鑫教授联合发表了关于力学超材料冲击动力学研究的综述论文。该文梳理了近年来力学超材料在冲击载荷下的动态响应研究，总结了其结构分类、能量吸收机制及加载速率影响，并展望了未来研究方向，对推动轻量化抗冲击材料的发展具有重要意义。该论文以“Impact dynamics of mechanical metamaterials: A short review and perspective”为题发表于 Forces in Mechanics 期刊。论文由南京大学现代工程与应用科学学院博士后陈传庆为第一作者，南京理工大学李鑫教授与南京大学卢明辉教授共同担任通讯作者，南京大学博士后何玉龙、北京航空航天大学陈玉丽教授及浙江大学卢国兴教授为论文作出了重要贡献。
结构在动态冲击下的受力行为广泛存在于航空航天、汽车工程与国防防护等领域。瞬态冲击可在极短时间内引发强烈应力波，导致材料超过弹性极限，出现塑性变形、裂纹扩展甚至整体失效，严重威胁结构安全。传统防护材料往往难以兼顾抗冲击性与轻量化需求，而力学超材料通过对微结构的精确设计，实现了可调刚度、负泊松比等独特力学性能，有效平衡能量吸收与结构效率。随着3D打印技术的发展，多尺度复杂结构逐步从概念走向工程应用，如无人机缓冲、运动防护与电动车电池保护等（图1）。然而，现有研究多集中于准静态或小应变振动条件，而揭示高速冲击与爆炸载荷下的动态响应对能量吸收与抗冲击性能的影响机制，已成为推动新一代防护结构设计的关键科学问题。
图1 力学超材料冲击场景下的应用
本文根据结构形式将力学超材料划分为四类：质量-弹簧型、杆梁型、板壳型及其他特殊类型。质量-弹簧型利用局部共振机制，借助周期性谐振单元调控弹性波传播，当入射波频率与谐振频率匹配时形成带隙，有效抑制应力波传递。杆梁型的变形机制涵盖拉伸主导、弯曲主导及其混合形式。板壳型以折纸、双稳态壳与自锁结构为代表，具备面内外协同变形能力。此外，张拉整体、磁驱动及非牛顿流体型等特殊超材料，分别通过预应力、磁斥力或应变率敏感介质实现高效能量耗散，拓展了抗冲击设计的可能性。力学超材料的性能源于材料、结构与动态载荷之间的深度耦合，结合创新物理机制与多尺度拓扑设计，有望实现更高效与可控的能量吸收及冲击缓解。
图2 基于结构形式的力学超材料分类及现有文献中的典型案例
力学超材料的能量耗散机制受到结构拓扑、材料特性与载荷条件的耦合影响。总体而言，能量耗散机制主要分为三类：弹性机制（如多稳态结构与局部共振型）具有可重复使用、寿命长的优点，但吸能能力受弹性范围限制；塑性机制（如拉胀蜂窝与折纸结构）通过不可逆变形实现高效能量吸收，适用于爆炸冲击防护，多为一次性使用；弹塑性混合机制则兼具弹性可恢复与塑性高效吸能特性，在阈值载荷之下表现为可恢复的弹性响应，在其之上触发塑性压溃等响应实现更高的能量吸收效率，为发展可重复使用的高性能防护系统提供了新方向。
图3 冲击载荷下具有不同能量耗散机制的力学超材料
力学超材料在冲击载荷下的变形行为受加载速率影响显著，这一过程主要涉及基体材料的应变率敏感性、微观与宏观尺度上的惯性效应以及结构内部的应力波传播。随着加载速率的提升，其力学响应呈现三种典型模式：在准静态模式下，惯性效应可忽略不计，应力波有足够时间在结构内均匀传递，材料呈现整体均匀变形和稳定的应力-应变响应；在过渡动态模式下，单元尺度的微惯性效应逐渐显现，变形开始在冲击区域局部化，应变分布不均并产生明显的应力集中，材料的应变率敏感性进一步放大局部应力水平；在冲击模式下，极高的加载速率使宏观惯性效应占据主导，结构内部形成明显的冲击波前，导致变形高度局域化，呈现出高应力压实区与未变形区并存的非连续动态响应特征。
图4 不同加载速率下力学超材料的力学响应
本文还重点提出了力学超材料在抗冲击/爆炸领域未来的研究方向，包括：
1、考虑材料应变率效应与结构惯性效应的动态调控设计。研究材料应变率效应以及结构惯性效应对动态响应的影响，结合拓扑优化与材料梯度设计，合理分配结构的刚度与质量，改善结构内部的应变率分布，减弱惯性作用导致的应力集中，从而实现更稳定的冲击响应。
2、应力波传播与局部损伤的关联。从波动控制与能量引导的角度出发，设计具有波导、衰减或散射功能的结构形式，通过调控应力波传播路径延缓或抑制局部损伤演化，实现能量的定向耗散与结构完整性。
3、局部冲击条件下的能量耗散设计。研究超材料在局部冲击下的动态响应特性，分析由撞击位置、角度及胞元尺寸等因素主导的变形模式转变机制，探索通过结构设计实现冲击能量的有效分散与吸收，抑制局部致密化与失效扩展，提升结构抗局部冲击性能。
4、尺寸效应与多尺度耦合机制。重点探究力学超材料在微尺度下的动力学性能，系统研究从微观基体、介观单元到宏观整体的多尺度力学耦合机制，并发展多级层次化结构设计方法。这对于揭示超材料的本征力学机理、完善多尺度理论模型，以及实现高性能的力学超材料具有重要意义。
5、多功能一体化超材料设计。探索机械性能与声、热、电、磁等多物理场特性的耦合机制，发展能够在冲击载荷下同时保持结构功能性与物理场效率的多功能超材料，实现在特定约束（如轻量化）下多环境性能的协同优化。
6、人工智能驱动的超材料性能预测与逆向设计。深度融合机器学习、物理建模与先进制造技术，实现对动态响应的快速预测，生成在质量、刚度、多功能性等多目标下达到最优权衡的拓扑构型，按需完成以性能目标为导向的逆向设计。
通过上述方向的系统研究，有望在揭示动态载荷下力学超材料能量吸收与损伤演化机制的基础上，推动新一代高性能防护材料与结构的设计与应用。
该研究得到了国家自然科学基金（12422215、12172164、12502445、52250363）、国家重点研发计划（2023YFA1406904）、中国博士后面上基金（2023M741612）、江苏省卓越博士后计划（2023ZB477）及国家资助博士后研究人员计划（GZC20231090）的资助。
论文链接：
Chuanqing Chen, Yulong He, Yuli Chen, Guoxing Lu, Ming-Hui Lu, Xin Li. Impact dynamics of mechanical metamaterials: A short review and perspective[J]. Forces in Mechanics,2025,100335, ISSN 2666-3597, https://doi.org/10.1016/j.finmec.2025.100335.
撰稿|课题组
