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在力学超材料的设计中，打破传统弹性理论的对称性限制，是拓展其功能性的关键挑战之一。北京工业大学杨庆生教授团队提出了一种新策略：利用结构屈曲作为核心设计要素，成功构建了具有“单向零泊松比”效应的新型超材料。这种材料在特定方向加载时呈现出零泊松比特性，而在反向加载时则表现出常规响应。同时，该设计显著增强了材料的刚度不对称性，从而在宏观上构建出非对称的弹性矩阵。这项研究不仅为超材料的物性调控开辟了新路径，也为开发具有方向选择性响应的先进功能材料和新型可展结构提供了物理基础和设计思路。
侯淑娟，湖南大学
Aijie Tang, Qingsheng Yang, Junjie Liu. Buckling-induced metamaterials with one-way zero Poisson’s ratio. https://doi.org/10.1007/s10409-025-24833-x
超材料突破了传统材料的性能极限，尤其在调控泊松比方面潜力巨大。现有方法虽能实现负或可切换泊松比，但可编程材料的定制空间仍然广阔。北京工业大学杨庆生教授课题组创新性地提出并设计了“单向零泊松比”超材料。该设计结合蜂窝与内凹结构，利用其构件在特定应力下的屈曲行为，使材料仅在特定方向拉伸或压缩时呈现零泊松比（横向尺寸几乎不变），而在其他加载方向则仍可表现正或负泊松比。这一独特性能打破了传统材料弹性矩阵的固有对称性，为力学超材料设计提供了新思路，也奠定了发展更先进功能材料的基础。
该研究旨在突破传统材料弹性矩阵的对称性限制，设计并实现一种具有方向选择性力学响应的新型超材料。研究的核心在于独特的结构设计：该设计巧妙地融合了蜂窝与内凹结构，并通过引入精心设计的内部构件来调控整体力学行为。其创新机制在于，通过精确设计内部构件的几何参数，使内部构件在不同加载条件下呈现“屈曲”与“未屈曲”两种截然不同的变形模式（图1）。
图1. 单向零泊松比超材料
实验与数值仿真结果明确证实了其独特的力学响应。当该材料沿特定方向受压或受拉时，超材料胞元内部构件发生屈曲，其行为表现出常规的正泊松比或负泊松比。然而，当对该超材料进行反方向加载时，超材料内部存在拉伸和弯曲变形的竞争机制，导致其横向尺寸几乎保持不变，从而表现出零泊松比特性。这种超材料力学性能展现出类似“二极管”的单向选择性响应。
图2. 由屈曲诱导的非对称等效弹性模量和具有非对称弯曲刚度梁
该研究深入分析了实现这一特性的物理机理。理论分析揭示了控制变形模式从未屈曲向屈曲转变的关键条件，并指出这种转变是获得单向零泊松比效应的根本原因。此外，由于屈曲行为的引入，该超材料在拉伸和压缩下的等效模量呈现出显著的非对称性，其不对称程度远超现有报道（图2）。该研究通过这种超材料构建了具有不对称弯曲刚度的梁，以此说明其潜在的应用前景。参数化分析进一步证明，该材料的泊松比和非对称刚度是可调的。
这项研究提出的单向零泊松比特性，为功能材料设计提供了新维度。这一特性使得在特定方向上实现受控变形成为可能，例如在精密装配中，它可减少压缩引起的横向尺寸扰动，从而提升系统稳定性。此外，这种方向性力学响应也为机械波的定向传输与隔离提供了物理基础，可用于开发声学单向阀或定向隔振器。该设计引入的屈曲策略带来了显著的非对称刚度，在能量吸收和机器人领域也具有广阔应用前景。
本研究由国家自然科学基金（11932002、11902004）资助。
唐爱杰（第一作者），北京工业大学博士生。研究方向：力学超材料。
刘俊杰（共同通讯作者），北京工业大学校聘教授，博士生导师，北京工业大学“优秀人才”高层次人才计划。主要研究方向：先进材料与结构力学，固体材料的失效与断裂，材料的动态力学行为。
杨庆生（共同通讯作者），北京工业大学教授，博士生导师，力学学科责任教授。研究领域：新型材料与结构的力学性能分析；复合材料的宏、细观力学；多尺度计算力学方法与应用；智能与生物材料的多场耦合性能。
北京工业大学杨庆生教授课题组长期从事复合材料力学、新型材料与结构力学、多尺度与多场耦合力学的研究，致力于理论、数值与实验方法的协同发展，承担多项国家、北京市重点和面上项目，发表国内外期刊学术论文 200 余篇，引用 5000 多次，获得国内外同行的正面积极评价。出版学术专著 3 部，完成发明专利30多项。课题组学术氛围浓厚、协作融洽，积极开展校内外合作与人才培养，为工程应用与基础研究提供持续支撑。
