超材料能量操控的第三种机制：能量循环机制

伴随着机器学习（如各种高效优化算法）、现代制造工艺（如增材制造、微纳米加工等）的飞速发展，超材料研究越来越受到学界和工业界重视，并且已初步实现了天然材料罕有或根本不存在的众多奇异性能，如仅存在于科幻作品中的隐身斗篷¹、完美透镜²和完美电磁吸收³等。

图1：超材料能量操控的三种机制

超材料的种类繁多、设计方法多样。但究其根本，各种设计都是操纵物质和波的相互作用（即操纵能量流动方式），从而实现新奇性能的。按照能量操控机制，目前绝大多数可分为两类：I.能量绕行（Energy bypass ）和 II.能量吸收（ Energy absorption ) 如图1所示。“能量绕行”是指输入能量绕着目标区域流动并回复原始路径，恰似目标区域不存在一样。“能量绕行”机制通过设计超材料参数（如磁导率、介电常数）的空间分布特性，实现了超材料的电磁隐身¹和声隐身⁴ 等性能。虚假电磁成像超材料本质上也采用了能量绕行机制，只不过能量流不再回复原始路径，而是沿预定路径传播，从而形成虚像。“能量吸收”机制是指输入能量在到达目标区域之前被完全吸收（耗散），目标区域不受可到可影响。“能量吸收”机制通过设计超材料周期性微结构，实现了超材料的电磁能量吸收、声能量吸收等性能。值得指出的是，“能量绕行”机制要求材料各参数按严格数学式连续分布于空间中，在制作中的离散化处理劣化了设计性能；“能量吸收”机制常通过局部共振方式实现，仅在有限频段表现良好。

近日，美国亚利桑那州立大学姜汉卿教授课题组、五邑大学王前选教授课题组和浙江大学王永副教授课题组在 Applied Materials Today发文 , “ Mechanical metamaterials for full-band mechanical wave shielding ”（第一作者为吴玲玲博士和王永副教授），首创了并列于“能量绕行”、“能量吸收”的第三种能量操控机制，即能量循环（Energy circulation），并用于设计机械超材料，实现了完美的机械能屏蔽性能。“能量循环”是指输入能量在能量源和超材料之间往复循环，既不影响被保护区域，又不转化为其它形式的能量。

三种能量操控机制在本质上是不同的，我们可以分别用一个成语来描述之。

能量绕行：云淡风轻一任它大风大浪（输入能量），在我（目标区域）如过眼云烟；

能量吸收：来者不拒一能容难容之事（输入能量）；

能量循环：欲拒还迎一你（输入能量）强我（目标区域）弱、你弱我强。

若以金庸武侠来看，这三种能量操控机制分别对应三门绝世武功。能量绕行：隔山打牛；能量吸收：化功大法；能量循环：以彼之道还施彼身。

在这篇文章中，研究人员运用机器学习算法，成功实现了超材料的能量循环机制，设计了完美的机械能隔离超材料，并从理论和实验上证实了其卓越的全频带能量屏蔽性能。设计完成的机械超材料由绝对零刚度单元阵列构成，图2所示。当外界对超材料做正功（机械能自能量源流入），机械能完全转化为超材料构件势能；而当外界对超材料做负功，超材料构件势能释放完全返回能量源．在整个能量循环过程中，目标区域完全不受影响。对超材料宏观单元的实验表明，该超材料实现了对确定性振源和随机振源的卓越的隔振效果，低频性能甚至能达到 0.3 Hz （理论上能全频段绝对屏蔽机械能，实验上受加速度传感器限制只能测到 0.3 Hz ) ，图3所示。该超材料的隔振性能优于商用的准零刚度隔振器 MinusK ，隔振性能的直观展示见动图。

图2 全频带能量屏蔽机械超材料

图3 机械超材料机械能屏蔽性能的实验证实

隔振性能的直观展示

“能量循环”机制的提出为超材料设计提供了全新的努力方向，该机制在超材料设计中，有望与“能量绕行”机制和“能量吸收”机制形成三足鼎立之势。通过“能量循环”机制设计的机械超材料达到了前所未有的机械能屏蔽性能，这体现了第三种能量操控机制的巨大潜力。

参考文献：

1 Zhang,S.,Genov,D.A.,Sun,C.&Zhang,X. Cloaking of matter waves．PhysRevLett100 , 123002 , doi:10. 1103 / PhysRevLett. 100. 123002 ( 2008 ) . 

2  Pendry, J.B. Negative refraction makes a perfect lens.PhysRevLett , 3966 - 3969 , doi : 10.1103/PhysRevLett.85.3966 (2000) .

3  Nl , L., S, S., JJ, M., DR, S. & WJ, P. Perfect metamaterial absorber.PhysRevLett100, 207402 ( 2008 ) .

4  Andkjaer, J . & Sigmund ,O. Topology Optimized Cloak for Airborne Sound.Journal of Vibration and Acoustics135 , doi:10.1115/1. 4023828 (2013) .

https://doi.org/10.1016/j.apmt.2020.10671