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机械超材料是一种具有非常规力学性能的工程材料，源于人工编程的微观结构以及固有的材料特性。在过去的十年里，随着能实现复杂微观结构的计算和制造能力的巨大进步，机械超材料领域因其实现前所未有的多物理特性的巨大可能性而受到广泛关注，而这些特性在天然材料中是无法实现的。该领域迅速出现的趋势之一是将材料的力学特性和晶胞结构与多物理场（电场、磁场、温度、光等）及化学反应等激励相结合，以扩大主动编程按需机械响应的范围。此篇工作旨在总结有关超材料的机械和多物理特性调制的相关文献的成果，重点关注双层（bi-level）设计的新兴趋势，并随后强调机械超材料在其关键工程应用中的广泛应用潜力。本文对不断发展的趋势、挑战和未来路线图进行了分析，涉及实时可重构性和功能编程、4D打印、纳米超材料、人工智能和机器学习、多物理折纸、生命物质、柔性和保形超材料、复杂微观结构制造、使用寿命影响和可扩展性。
材料开发的最新进展主要集中在改变材料成分以产生功能材料特性上。可以对具有所需性能的材料进行设计，以满足特定应用的需求。固有的机械/力学和其他物理性质是开发新型材料的制约因素，因为这些传统的天然材料具有自己的特定性质。通常的做法是根据可用的材料特性设计机械和结构系统。这种传统材料在各种物理性能方面具有基本限制，这也限制了后续的设计过程。这种局限性在多功能系统中变得更加明显，因为多功能系统需要同时实现多个目标，或者需要远远超出天然材料极限的极端性能。机械超材料的新兴概念可以在很大程度上解决这些目标，突破在特殊状态下实现个体特性的界限，并为现代结构跨越长度尺度进行多功能系统设计。超材料是一种人工设计的材料，具有周期性（或准周期性、非周期性）微观结构或纳米结构，由独特的定制（特定应用，基于功能需求）几何形状和图案组成，可产生传统材料无法实现的前所未有、非凡和不同寻常的整体性能。
“超材料”一词源自希腊语，意思是超越物质，表明其超越性。按照传统材料的传统定义，超材料可能不属于“材料”。这些材料通常具有（用户）定义的微观结构，其长度尺度比测量体积性能的材料低得多。因此，即使它是微观或纳米级的结构，从宏观角度来看，它也是一种材料。这些都是人类创造力的结果，显示出在天然材料中罕见或无法观察到的物理特性。它们的组成部分具有明显的空间变化。这些人工工程材料可以在微观甚至纳米尺度上进行设计，以在宏观尺度上表现出前所未有的性能。超材料的非常规性质不仅仅是固有材料性质，而是由其微观结构几何形状产生的。因此，在超材料中，材料和物理性质可以在两个不同的长度尺度上定义：一个是在较低尺度上，对应于形成晶胞的构成单元的材料（称为固有材料性质），另一个是宏观尺度上的有效性质，这是固有性质和微观结构几何形状的结果。超材料通常采用周期性的微观结构形式，其中基于功能需求设计晶胞，晶胞可以在1D、2D或3D空间中镶嵌以创建材料微观结构。然而，根据功能目标，超材料也可以具有分级、准周期或非周期的微观结构。
超材料中的材料和结构相互作用和影响。（A）在材料尺度上利用机械设计和人工微结构以提高性能。随着技术的进步，定义功能架构的能力变得越来越复杂，并朝着更精细的尺度发展，从宏观到微观和纳米。（B）晶格在长度尺度上的可用性和应用。（C）具有（a）正泊松比的六方晶格微观结构中泊松比编程的演示。（b）负泊松比（c-e）零泊松比。（D）编程超构板弯曲时的高斯曲率编程（a）负（b）正。（E）Sarrus模块化折纸设计。（a）描绘Sarrus机制的立体单元。（b）Sarrus链环的组装。（c-e）模块的转换顺序。（f-h）Sarrus超材料的变形配置。（F）基于折纸的模块化材料。（a）一种典型的截角八面体。（b-c）由缩减八面体衍生的对称和不对称晶胞。（d）通过对称晶胞的镶嵌获得的2D超材料片。（e）承受压缩载荷时的超构板配置。（f）承受拉伸载荷时的超构板配置。（G）waterbomb管状超材料（a）基于waterbomb的折痕图案。（b）三维视图中的waterbomb管。（c）管状超结构的宏观示意图。（d）微结构和远场致动相关的形状变形。（e）本构关系的微观结构相关编程。
在自然界中，细胞材料表现出高刚度和低密度的对抗性机械性能的有用的特定组合。但这只是一个例外，也是开发大量机械超材料的哲学灵感。很难找到在单一材料中同时具有这种期望性质的天然材料。此外，天然材料的特性可以在有限的短范围内拉伸。一般来说，自然存在的材料的物理特性，如质量密度，与其机械特性相结合。例如，具有高强度和刚度的传统材料也将具有高质量密度，反之亦然。在航空航天、机器人和机械工程等许多技术要求很高的行业，人们强烈要求打破这种相关性，开发强度高、硬度高、同时重量轻的材料。研究人员已经做出了重大努力，在微观层面开发晶胞单元，以在宏观层面获得所需的比刚度和强度。设计中材料尺度的减少本质上放大了材料的机械特性。小尺度设计的能力导致在扩展的设计空间内实现具有微观结构可定制性的新型材料，这允许基于特定应用要求实现机械性能。3D打印技术的最新进展使不同材料的复杂微结构得以物理实现。
如上所述，细胞结构是这样的实体，其中结构和材料响应取决于微观结构几何形状，而不是其化学组成。在不同的尺度范围内，天然（骨组织）和人工系统（桁架桥，truss bridges）中都有大量可用的材料。在自然界中，像木材和骨骼这样的材料由于其内部结构而具有高的刚度重量比，这有助于这些轻材料在没有故障的情况下承载重负载。细胞结构力学的历史可以追溯到自然系统中观察到的细胞层次结构。最近的研究工作包括对随机聚合物泡沫的研究，其细胞结构被改变，导致材料具有负泊松比。相关工作描述了作为梁网络的蜂窝固体的力学，其中宏观性质被证明是通过调整组成梁单元的几何参数来控制的。上图（C）显示了具有正、负和零泊松比的六边形晶格微观结构。这种蜂窝状设计使得能够设计出比具有更好几何连接性的泡沫具有更大刚度的人工材料。几十年后，随着增材制造技术的进步，研究界越来越热衷于这些复杂结构的物理形式。该领域的新兴趋势涉及多物理超材料，其中微结构除了能够承载具有高比强度和刚度特性的机械应力外，还能够实现多物理性能，如在外部激励（例如电场和磁场）下的主动特性调制、振动和波控，能量收集等。涵盖不同类别微观结构的机械超材料领域的最新发展（见上图（C-F））及其在多功能结构设计中的应用，使得通过对当前趋势和未来路线图的严格分析来概述这些发展至关重要。
这篇综述论文的主要目的是对人工工程机械超材料的最新发展提供一个全新视角，重点关注主动、可重构和多物理行为。虽然此篇将从描述新兴类别的超材料开始，但本文旨在强调机械超材料，它是超材料家族中最年轻的成员之一。除了传统的基于单元的周期性网络设计外，还将讨论双层设计的新兴概念，在扩展的设计空间中实现极端的机械性能和主动行为。本文首先将介绍基于功能和微观结构的新兴超材料类别，然后将重点介绍被动和主动特性的机械超材料上。再讨论多功能性的发展概念，其中微观结构的力学与超材料的多物理行为以及活性微观结构组件相结合。随后，将重点转移到通过制造经过计算设计的复杂材料微观结构来实现物理实现的相关问题上。最后，总结科学界需要立即关注的关键问题，以及机械超材料领域的长期路线图和展望。
新兴类别的超材料及其当前的实际应用。不同类型的超材料根据其预期功能和微观结构配置进行了解释。本征材料（如金属、橡胶、陶瓷等）是由原子和分子组成的。超材料是通过在这种材料中引入结构（通常通过设计晶胞）来设计的，以在更高的长度尺度上获得特定应用的功能特性。因此，在超材料中，材料特性通常在两个不同的长度尺度上定义：（1）本征材料在相对较低长度尺度上的特性，基于原子或分子排列推导；（2）超材料在相对较高长度尺度上，基于晶胞结构推导。在超材料中，两种长度尺度之间的差异被认为是显著的。请注意，在活性超材料的情况下，较高长度尺度下的有效特性会进一步受到外部激励的影响。
超材料的多种功能概述。（A）电磁超材料。（B）光学超材料。（C）声学超材料。（D）机械超材料。
机械超材料的实际应用。（A）隐形斗篷（B）电子皮肤（C）软机器人（D）仿生抓取器（E）超材料机械计算（F）抗冲击结构（G）血管支架（H）跑鞋（I）柔性电池（J）Truss-core翼型（K）辅助安全带（L）海洋结构应用中的装配式蜂窝结构（M）辅助绷带。
超材料的微观结构配置。（A）不同形状的晶格。（B）手性和反手性蜂窝。（C）主要变形模式。（D）折纸基机械超材料。（E）基于折纸的混合超材料。（F）不同类别的折纸和折纸基超材料。
机械超材料的被动特性调制。（A）基于蜂窝晶格单元自下而上分析方法。（B）规则三维蜂窝晶格。（C）二维六边形蜂窝的结构力学。（D）不同应力条件下晶格中的反曲率效应。（E）2D Voronoi蜂窝中的细胞不规则性。（F）机械超材料中的波传播。（G）具有域不连续性的典型非不变蜂窝晶格。（H）基于纳米异质结构的纳米超材料概念。
机械超材料的主动特性调制。（A-D）双能级主动晶格超材料。（E）光驱动主动机械超材料。（F）3D光学机械超材料。（G）受光激励的机械超材料。
机械超材料的物理实现。（A）材料挤压工艺。（B）喷墨打印。（C）以光聚合。（D）粉末床融合。（E）折叠六边形晶格结构的运动/动力学，用于将其从平面结构折叠。晶格结构的设计基于重复晶胞。（F）使用4D打印制造主动超材料，并实现主动时间相关和可编程响应。这基本上是通过将3D打印和活性材料结合起来制造依赖时间和外部激励敏感的超材料来实现的。
机械超材料的可扩展性和用于大构建量增材制造的途径。（A）通过组装工艺制造超材料。（B）离散组装的机械超材料。从左到右显示了四种不同类型的超材料，即刚性、顺应性、拉胀和手性。（C）常规、机器人和无人机辅助（航空）增材制造，以实现大批量和大规模生产。
在机械超材料领域的广泛研究使设计具有非常规特性的材料成为可能，这些材料具有相互冲突且往往不相关的多目标特性，从而扩大了材料设计空间，以突破物理性能的极限。此篇工作回顾了机械超材料的最新进展，特别强调主动和多物理行为（包括外部电场或磁场，以及温度、光或化学反应等激励）与双层结构的力学特性相结合，以扩大主动编程按需机械响应的范围。
本文首先简要概述了基于功能和微观结构配置的不同新兴超材料类别，然后对被动和主动机械超材料进行了回顾。值得注意的是，随着机械超材料设计中多功能性和按需特性调制的出现，不同类别超材料之间的划分变得相互关联，微观结构设计需要越来越多的交互空间。对机械超材料领域的发展趋势和未来路线图进行了分析，包括实时可重构性和功能编程、4D打印、纳米级超材料、可扩展性、人工智能和机器学习、神经形态、多物理折纸、生命物质、柔性和保形超材料，制造和使用寿命的影响。此篇对机械超材料的各个新兴方面的文献和实践观点进行了全面回顾，将为研究人员和工程师探索开发具有改进和前所未有功能的新型超材料的趋势、模式和多物理设计空间提供无数可能性。
原文来源：Materials Science and Engineering: R: Reports，Volume 155, October 2023, 100745；Programmable multi-physical mechanics of mechanical metamaterials；https://doi.org/10.1016/j.mser.2023.100745
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