超材料前沿研究一周精选2024年7月8日-2024年7月14日

折纸这一古老的艺术已被证明是一个强大的概念，激发了科学、工程及其他领域的创新。折纸可以将一种几何形状转化为另一种几何形状，通常是从2D转化为3D。这种转变为科学家和工程师设计多功能器件、轻质结构和建筑材料创造了新的可能性。在自然界和发生突然大变形的薄壁结构中都能找到折纸结构的创意。从数学角度看，折纸结构是一个局部的2D离散流形，其特征是流形上有一组折痕，折痕上的线条（锐利的）折叠和折痕的折叠角度决定了折叠的程度。折痕将流形分割成2D片材，称为面板。折痕可以是直线，也可以是曲线。当所有折痕都是直线时，面板呈多边形。折痕的交点称为顶点。折纸设计的局部结构是指折纸中远离边界和多个面板交点的任何部分。有些折纸没有任何边界，形成封闭的多面体。

近日，意大利特伦托大学Diego Misseroni、印度理工学院Phanisri P. Pratapa、北京大学刘珂、美国普林斯顿大学Glaucio H. Paulino、天津大学陈焱等国际知名学者全面概述了折纸工程的主要原理和要素，包括理论基础、模拟工具、制造技术和需要非标准设置的测试协议。文章重点介绍了涉及可展开结构、超构材料、机器人、医疗器件和可编程物质的应用，以实现振动控制、机械计算和形状变形等功能。另外，还指出了这一领域面临的挑战，包括有限刚度、面板厚度适应性、与常规机械测试设备的不兼容性、不可开发模式的制造、对缺陷的敏感性以及在感兴趣的尺度上识别相关物理。进一步展望了折纸工程的未来，其目标是下一代多功能材料和结构系统。相关研究发表在《Nature Reviews Methods Primers》上。（徐锐）

文章链接：

Misseroni, D., Pratapa, P.P., Liu, K. et al. Origami engineering. Nat Rev Methods Primers 4, 40 (2024).https://doi.org/10.1038/s43586-024-00313-7

一个多世纪以来，波在非均匀介质中的传播导致了令人惊讶的现象，尤其是在固体物理学领域。例如，在周期性介质中，介质空间特性每次发生变化时，波的散射都会导致波无法传播的禁带（布拉格反射）。在随机介质中，随机缺陷引起的多次散射波之间的干扰可以阻止波的传播并将其捕获或局限在介质内。这种线性现象称为安德森局域化，最初是在凝聚态电子中预测的，此后已在从冷原子到经典波（如光学、微波、声学）以及随机时变介质等各个领域中观察到。对于液体上的表面波，只有 80 年代少数实验室证明了线性表面波在随机水深测量上的安德森局域化以及在周期性情况下存在禁带。最近的实验报告了涉及谐振器或波纹侧壁的水道中的水波衰减，但并未关注波的局部化。安德森局部化的实验研究主要涉及线性波，尽管关于非线性是否会增强或削弱无序波的局部化一直存在争议。一些理论研究预测，安德森局部化在连续非线性波中持续存在，但在非线性脉冲中可能会被破坏，而非线性波的实验研究很少，仅限于光学、声学或超流体氦。在表面重力波的背景下，非线性对安德森局部化的影响在实验和理论上仍然是未知的。

近日，巴黎西岱大学的Eric Falcon团队，表明非线性增强了在水道中随机水深上传播的表面重力波的局域化现象。这一结果是通过全空间和时间分辨的波场测量实现的，这远远超出了 40 年前用于显示线性水波定位的间接测量。利用当今可用的这种高分辨率技术，研究人员还通过实验观察到了线性波在周期性势上的布洛赫色散关系，这在水波中迄今为止尚未被报道过。此外，从理论上报告了当无序程度增加时布拉格散射（周期性底部）到安德森局部化（随机底部）之间的平滑过渡。该实验系统目前仅限于线性和非线性连续波的情况，提供了一个方便的平台来解决非线性结构的安德森局域化问题，例如孤子、非线性脉冲以及带隙内孤子可能存在的问题。该工作与可变水深引起的极端波浪的发生有关，在海洋学中也至关重要。相关工作发表在《Nature Communications》上。（刘帅）

文章信息：

Ricard, G., Novkoski, F. & Falcon, E. Effects of nonlinearity on Anderson localization of surface gravity waves. Nat Commun 15, 5726 (2024).

https://doi.org/10.1038/s41467-024-49575-5

跳跃是动物的一种运动策略，可以克服障碍、躲避捕食者和有效地探索杂乱的环境。仿生昆虫级跳跃机器人的开发旨在模仿这种灵活性和效率，有望应用于探索、检查、搜索和救援，甚至低重力地外环境。然而，利用传统刚性部件（如电机和弹簧）储存能量的机器人虽然能够实现惊人的跳跃高度，但在小型化方面却遇到了巨大障碍。在设计昆虫级机器人时，最先进的技术是采用软致动材料。然而，这些材料也面临着一系列挑战，包括能量密度低、响应时间慢和恢复期长，所有这些都阻碍了它们在机器人跳跃应用中的有效性。一些昆虫，如甲虫和捕爪蚁，尽管体型较小（体长不足20mm），却能利用其双稳态结构中的突弹跳变机制，以惊人的速度和力量实现无腿跳跃。然而，在开发可双稳态或多稳态并能复制这些大功率运动的嵌入式机器人设计方面，似乎还存在差距。

西安交通大学孙瑜、杨来浩联合西湖大学姜汉卿教授、张壮团队引入了一种新的偏曲双稳态设计，它具有非对称平衡态和可调能量势垒。利用这种设计开发出了边界致动可调能量势垒（BATE）跳跃机器人（体长小于15mm），并将BATE跳跃机器人从高度跳跃模式（最多12.7个体长）转换为距离跳跃模式（最多20个体长）。BATE跳跃机器人可进行敏捷的连续跳跃（能量释放/再储存时间在300ms内），并进一步展示了实时状态检测功能。BATE跳跃机器人的昆虫级性能展示了其在未来勘探、搜索和救援中的应用潜力。相关研究发表在《Advanced Science》上。（徐锐）

文章链接：

Q. Guo, Y. Sun, T. Zhang, et al. Bistable Insect-Scale Jumpers with Tunable Energy Barriers for Multimodal Locomotion[J]. Adv Sci (Weinh), 2024: e2404404.

https://doi.org/10.1002/advs.202404404

近年来，晶格被认为是一种先进的机械超构材料，由于其特殊的可定制化和物理性能，为解决实际应用中降噪和机械的交叉需求提供了新的解决方案。随着仿生设计研究的发展，利用仿生结构的巨大优势来提高材料性能，表现出显著的设计灵活性，并逐渐成为多功能结构设计研究的焦点。然而，目前针对结构特征开发更合理、更高效的共振系统的研究还不够充分，导致缺乏能够有效地将宽带吸声与高抗损伤相结合的结构。

近日，哈尔滨工业大学的李隆球教授团队，利用龟壳结构的固有机械特性，同时通过引入耗散孔隙来扩展声学性能，设计了一种具有出色吸声和高抗损伤特性的晶格结构。针对这类复杂结构吸声优化设计中阻抗计算的瓶颈问题，提出了一种通用的高保真神经网络修正模型。在此基础上，将粒子群算法集成到声学设计模块的多频段吸声优化中。通过优化设计，实现了在50mm低厚度下的高吸收性能，平均吸声系数在300-600 Hz和500-1000 Hz频段分别达到0.88和0.93。此外，由于壳体厚度对声学和力学的耦合作用，所设计的结构在不同密度下表现出较高的抗损伤能力。总之，这项工作为设计具有声学和力学性能的复杂多功能结构提供了一种新的范式，同时也为未来多功能结构设计的研究提供了有价值的启发。相关工作发表在《Small》上。（余勇花）

文章链接：

https://doi.org/10.1002/smll.202403254

基于谐振器的一阶谐振模式的声学超构材料在低频宽带吸收方面得到了广泛的研究。然而，它们通常被限制在一定的工作频带范围内，并且往往在高频范围内不能有效地工作。为了加宽吸收带宽，最有效的方法是将具有不同共振峰的多个单元耦合起来，为了进一步拓宽工作带宽，学者们提出了两种设计方法。第一种方法是采用具有多阶峰的多自由度单元，另一种方法是利用不太复杂的单元的高阶振动模式来产生多个高阶峰值。

近日，中国科学院声学研究所的杨军教授团队，提出了一种声学超构材料穿孔管束(PPTB)和盘绕腔相结合的结构，它利用盘绕腔的多阶谐振有效地将工作频带从低频扩展到高频。此外，本工作还引入了耦合模式理论(CMT)来合理调节结构参数，使其损耗因数与目标泄露相匹配，从而在宽广的频率范围内产生多个出色的高阶峰值，对于高频吸收单元，一阶峰值应尽可能高和宽，以减少耦合单元的数量，从而降低制造复杂性。得到了一种基于 PPTB 结构的宽带吸收超材料，在 300 至 3600 Hz 的较宽频带内平均吸收率超过 90%，厚度仅为 9cm。此外，该吸收器在没有多孔材料的情况下实现了超过三个倍频程带宽的近乎完美的平坦吸收频谱，在各种机械设备的噪声控制方面具有优异的机械和声学特性。相关工作发表在《International Journal of Mechanical Sciences》上。（余勇花）

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2024.109493

免责声明：本文旨在传递更多科研资讯及分享，所有其他媒、网来源均注明出处，如涉及版权问题，请作者第一时间后台联系，我们将协调进行处理，所有来稿文责自负，两江仅作分享平台。转载请注明出处，如原创内容转载需授权，请联系下方微信号。