近日，南京大学现代工程与应用科学学院陈延峰教授、卢明辉教授团队与南京理工大学机械工程学院李鑫教授合作，提出了基于圆弧形悬臂梁与环形卡槽的转动卡扣力学超构材料，突破了传统平动驱动的限制，实现了纯转动驱动下的多稳态切换。相关工作以“Rotation-Based Snap-Fit Mechanical Metamaterials”为题发表于期刊《Advanced Science》上。南京大学现代工程与应用科学学院21级博士生徐锐为论文的第一作者，南京大学卢明辉教授和南京理工大学李鑫教授为论文的共同通讯作者。南京大学陈延峰教授给予了重要建议，南京大学的何玉龙、陈传庆、孙嘉鹏对本文也有重要贡献。
多稳态力学超构材料由双稳态或多稳态单元构成，通过突跳式变形实现状态切换，在能量吸收、软体机器人、机械逻辑运算等领域展现出广阔前景。当前研究多聚焦于平动驱动（如压缩、拉伸）的多稳态机制。然而，转动作为一种高效、可控的输入形式（如齿轮传动、车轮运动等），其驱动的多稳态结构研究较少。
现有转动驱动结构多依赖磁体或复杂耦合运动，存在小型化困难、磁场调控复杂等问题。例如，折纸/剪纸结构（如Kresling型单元）通过耦合变形实现多稳态，但其运动自由度受限，难以满足纯转动场景需求。同时，传统转动驱动结构稳定状态数量有限，且制造工艺复杂。因此，开发无需外部激励、结构简单的纯转动多稳态力学超构材料成为迫切需求。
1.转动卡扣结构设计与多稳态机制
通过将直梁卡扣演化为圆弧形悬臂梁，并与环形卡槽匹配，实现了纯转动输入下的多稳态切换（图1）。该结构在扭转载荷下可维持多个稳定构型，扭矩-转角关系呈现“机械二极管”效应（图2）。
图1 卡扣单元设计及力学特性。（A）平动卡扣结构：含可弯曲的悬臂梁卡扣及卡槽。（B）平动卡扣装配力学响应。（C）转动卡扣结构：由弧形悬臂梁卡扣与卡槽组成。（D）转动卡扣转动的力学响应。（E）转动卡扣详细尺寸设计，包括卡扣和卡槽的详细参数。（F）转动卡扣转动时的角度-能量关系。
图2 转动卡扣结构的参数分析。（A）单个转动卡扣结构及其力学响应特性（有限元仿真和理论分析）。（B）对称设计的转动卡扣结构及其力学响应特性。（C）转动卡扣数量变化对整体力学性能的具体影响。（D）悬臂梁长度对转动卡扣力学性能的影响。（E）转动卡扣的有限元仿真应力分布云图与实际扭转试验的对照图片。（F）有限元仿真、理论分析与实验中转动卡扣力学特性对比分析。
2.多稳态特性与跨维度应用
转动卡扣单元可通过堆叠或平铺形成1D和2D转动卡扣力学超构材料（图3）。2D转动卡扣力学超构材料通过齿轮与传送带协同工作，实现平面内多稳态同步切换，适用于超表面、信息安全等领域。此外，提出了1D超构线（meta-lines）概念，其具备多稳态和跨维度变形能力，还可将其组装成数字、字母等复杂图形（图4）。
图3 扭转多稳态力学超材料的设计与力学响应。（A）展示了1D转动卡扣超材料的设计方案，具体包含了4×1、4×2、4×3、4×4以及1×4等多种构型配置。（B）1D转动卡扣超材料在不同构型下的力学响应特性。（C）2D转动卡扣超材料的设计原理：集成齿轮结构并利用传送带与特制的带卡槽框架，成功将转动多稳态力学超材料构造成2D阵列结构。（D）2D转动卡扣超材料在图案变换领域的应用潜力。
图4 多稳态超构线和多稳态形状变形。（A）由转动卡扣结构与对应卡槽结构构成的单元单胞构型。（B）超构线的设计理念，并展示了其引发的形状变化机制。（C）多稳态四边形稳态转换时的力学响应。（D）展通过组合多个单元单胞，能够构造出多样化的形状，包括但不限于字母、数字及汉字图案。
3.应用探索
其应用研究如图5所示，包括（1）转动与平动转换：将转动卡扣结构与正齿轮、齿条集成到一起，可以实现转动与平动的高效转换和能量吸收。（2）机器人技术：将转动卡扣结构作为机器人抓手的关节，实现了对多种物体的稳定和高效节能抓取。
图5 转动多稳态卡扣结构的应用。（A）通过精密设计的齿轮机构，实现了转动多稳态与平动多稳态之间的有效转换机制。（B）转动多稳态向平动多稳态转换过程中的力学响应特性。（C-D）机构平移与转动的转换：（C）机构以平移为输入，转动为输出。（D）机构以转动为输入，平移为输出。（E）基于扭转多稳态原理构建的两指抓手，及其抓取操作的演示实例（橡皮擦和胶带）。（F）基于扭转多稳态的四指抓手设计，及其在实际抓取任务中的应用演示（足球和篮球）。
本研究成功设计并实现了一种基于转动的卡扣力学超构材料，突破了传统平动驱动机制的局限，构建了多稳态超构材料设计的新范式。通过深入研究转动卡扣结构的力学性能及影响因素，为其实际应用奠定了理论基础。所提出的1D和2D扭转多稳态力学超构材料以及超构线概念，进一步拓展了该超构材料的应用潜力，使其在能量吸收、机器人技术、精密机械设计、自动化控制及安全防护等多个领域展现出广阔的应用前景。展望未来，转动卡扣力学超构材料有望开启更多创新应用。在机器人技术中，优化后的转动卡扣力学超构材料将推动抓取机构的智能化提升，适应更复杂环境。同时，跨维度变形能力使软体机器人、智能显示等领域迎来机遇。总体而言，该力学超构材料与技术研究将促进超构材料的研究，为其可持续发展与智能化转型贡献力量，期待未来更多创新应用与突破。
该研究得到了国家自然科学基金（12422215、12172164、52250363）和国家重点研发计划（2023YFA1406904）的资助和支持。
文章链接：
R. Xu, Y. He, C. Chen, et al. Rotation-Based Snap-Fit Mechanical Metamaterials[J]. Adv Sci (Weinh), 2025: e2501749.
https://doi.org/10.1002/advs.202501749
