前沿：西北工大《Science Advances》| 仿生扭转双曲超材料赋能无人机“防护+感知”一体化

• 解决的问题：无人机易受湍流振动影响，现有防护系统难同时实现冲击缓冲与实时载荷监测，且受重量限制；传统传感器需外部电源，难以满足无人机轻量化、自供电需求，制约飞行安全与结构健康管理。
  

• 提出的方法：借鉴甲虫鞘翅结构，设计扭曲双曲超材料（THM），结合摩擦纳米发电机（TENG）形成 THM-TENG；3D 打印 PA12 制备，优化扭曲角度等参数调节刚度，集成微控制器（MCU）、无线传输及报警系统，实现缓冲与自供电传感一体化。
  

• 实现的效果：THM-TENG 刚度可调（40-4300 N/mm），冲击吸能约 70%，比吸能～0.25 J/g（重量仅 10g）；可自供电监测≤5Hz 下达 1000N 的冲击载荷，集成无人机后能缓冲振动、实时监测载荷、定位并触发报警，无需外部电源。
  

• 创新点：将甲虫鞘翅仿生设计与扭曲双曲超材料结合摩擦纳米发电机，通过 3D 打印与结构优化实现刚度可调，集成多系统突破传统防护与传感分离局限，实现无人机上自供电、轻量化的缓冲 - 传感 - 报警一体化功能。

• 研究成果以《Bioinspired twist-hyperbolic metamaterial for impact buffering and self-powered real-time sensing in UAVs》为题发表于《Science Advances》。西北工业大学Xujiang Chao为论文第一作者；西北工业大学Xujiang Chao、Fei Liang、Lehua Qi，以及中国科学院北京纳米能源与系统研究所Zhong Lin Wang为共同通讯作者。

• 摘要：湍流引发的振动对航空器结构完整性和飞行稳定性构成重大威胁，尤其在无人机中，实时冲击监测与轻量化防护至关重要。本文提出一种仿生扭曲双曲超材料（THM），结合摩擦纳米发电机（TENG），可同时实现冲击缓冲与自供电实时传感。THM-TENG 防护器刚度可调（40 至 4300 牛 / 毫米），冲击能量吸收率约 70%，重量仅 10 克时比吸能达约 0.25 焦 / 克。通过摩擦起电将机械能转化为电信号，可监测高达 1000 牛（≤5 赫兹）的冲击载荷。集成微控制器、无线传输与报警系统后，该防护器在无人机中实现振动缓冲、实时力监测、定位与预警，且无需外部电源。本研究为轻量化多功能防护系统建立了创新框架，可应用于航空航天、机器人及自动驾驶领域。
  

• 结论：本文提出一种经结构优化的仿生双曲超材料（THM-TENG）防护器，通过调节扭曲角度实现 40 至 4300 牛 / 毫米的可调刚度及约 70% 的冲击能量吸收率。采用 3D 打印 PA12 制备，该防护器重量仅约 10 克，比吸能达约 0.25 焦 / 克，性能优于树脂基超材料，同时保持轻量化特性。关键在于，该系统集成摩擦纳米发电机（TENG）实现自供电传感，可识别≤5 赫兹下高达 1000 牛的动态冲击载荷，突破了传统 TENG 传感器受弹性变形阈值限制的传感范围。将 THM-TENG 与微控制器、无线传输及报警系统耦合，在无人机中实现双重功能：缓冲振动载荷的同时，实时监测力信号、定位航空器并触发警报，全程无需外部电源。

  尽管当前多功能防护器多针对可穿戴应用，但无人系统需适配极端载荷与严苛重量限制，THM-TENG 恰好应对这些挑战。不过，其与无人机复杂几何结构的共形集成仍需突破。未来需聚焦三方面：（1）开发不规则区域超材料结构设计方法；（2）降低气流引发的 TENG 传感噪声；（3）利用多通道自供电信号实现全局振动分析。这些进展可为航空航天、机器人及自动驾驶系统的下一代结构健康监测建立通用框架。
  

图1：THM-TENG 用于自供电传感与冲击缓冲的开发及工作原理。

图2：THM 的理论分析与优化。

图3：TM 与 THM 防护器在准静态和动态载荷下的力学性能。

图4： THM-TENG 的输出性能。