撰稿|由课题组供稿
智能材料是智能结构设计的基础，广受关注。常规材料一旦制备，特性就几乎不可调节。可重构机械/力学超材料可在变形的同时改变材料特性，但传统设计方法无法实现稳定、连续、健壮的参数控制。近日，国防科技大学方鑫、温激鸿等联合香港理工大学成利教授和德国Fraunhofer研究院，提出了基于齿轮/齿轮组构型的力学超材料设计方法，实现了金属基材料的大范围、连续、快速调节。论文Programmable gear-based mechanical metamaterials发表在Nature Materials上，方鑫副研究员为论文第一兼通讯作者，温激鸿研究员为论文共同通讯作者。研究工作得到国家自然科学基金、“青年托举”等项目资助。
智能装备呼唤智能材料，但传统材料的特性通常需要高温相变才能呈现一定的调节性，实际可操作性低。机械/力学超材料(mechanical metamaterials)是具有超常力学性能的结构功能材料，由人工基元拓扑序构而成，已在轻质高刚度结构中广泛应用。丰富巧妙的基元和拓扑形态极大拓展了材料特性的设计空间，如具有超低频超宽带波动抑制效应的强非线性力学超材料。长久以来，绝大多数点阵材料以及机械/力学超材料的设计都遵循如下范式：将单功能承载基元（梁/杆/板）用固定或屈曲结点连接构成确定性拓扑结构，如图1所示。这类设计得到的超材料性能常不可调节，通过重构拓扑形态可改变材料特性，但基于该范式的可重构力学超材料的变形过程常伴随着不稳定屈曲，仅具有少数几个稳定状态且难以在承载状态下完成调控过程。此外，这类超材料元胞的连接点需要承受大变形，无法采用硬质材料（如金属、塑料）制备，否则变形将不可逆。因此，能适应复杂环境的大范围、连续、快速智能可调的机械/力学超材料尚未实现，需从根本上突破设计思维局限。
该论文首次提出了基于多功能动态基元和易变-牢固耦合模式的智能可编程机械/力学超材料设计范式，设计了系列基于齿轮的智能超材料，如图1所示。该超材料的基元为内嵌刚度梯度的“太极”齿轮或行星齿轮组，通过齿轮啮合的方式实现基元间的稳定连接与整体材料的构筑，能够实现整体材料刚度两个数量级以上的光滑连续调控以及结构形状的大范围变化（如图2），调控过程可在大承载下完成。团队不仅提出了原创性设计方法，实现了大量案例，还突破了宏观及微观、金属基及复合材料基超材料的集成一体化制造和集成驱动技术。
图2 典型构型的等效杨氏模量调控过程
由图3可知，新型力学超材料的刚度调控过程不需要宏观结构大变形（即实现了原位调控），因此能在大载荷下始终保持结构稳定性；且一个完整的调控周期可在1秒内完成，可实现快速实时控制。其综合性能相比传统的热响应、化学响应、电/磁响应的智能材料/超材料有显著提升，能在复杂恶劣工况（如高温、真空、腐蚀）下可靠运行。论文还验证了其变刚度冲击防护、变形、变阻尼等特性。
论文证明了基于齿轮的机械/力学超材料设计方法能提供大范围原位调控的同时保持结构稳定性、强度和高承载性能。这一智能可编程特性健壮且易于实现。丰富的齿轮组结构为定制齿轮力学超材料的特性提供了大量空间。除了杨氏模量、形状和冲击防护性能，未来还能将调控过程拓展到剪切模量、泊松比、强度、变形模式以及动态特性，并且还可设计三维齿轮力学超材料构型或者将其进一步小型化。论文突破的集成制造和驱动技术打通了材料特性调控与多功能结构设计之间的障碍。这一原创颠覆性成果为设计新型智能材料开辟了新道路，为解决很多结构设计问题提供了新思路。
国防科技大学智能科学学院振动与噪声控制研究团队以装备振动与噪声控制为主要研究背景，重点开展基于声学/力学超材料理论的装备减振降噪新理论与新技术研究。研究团队获得军队科技进步一等奖1项、湖南省自然科学一等奖2项、全国/全军/湖南省优秀博士论文8篇次，在Nature Materials、Nature Commu.、Physical Review Letter/Applied/B系列发表高水平SCI论文300余篇。欢迎有志于从事该领域研究的研究生和青年学者加入团队（网站vag.nudt.edu.cn）。
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https://www.nature.com/articles/s41563-022-01269-3
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