传统块体材料的弹性特性在使用过程中几乎无法改变或调整，而这种可调弹性特性正是机器人和智能机械所迫切需要的。尽管可重构超材料具备这种特性，但现有设计中的连续可调性仍面临结构不稳定、鲁棒性不足、塑性失效及响应迟缓等问题。本文提出一种采用编码刚度梯度齿轮作为基本单元、通过组织齿轮簇实现多功能的超材料设计范式。该设计在保持稳定性和机动性的同时，即使在重载条件下也能实现弹性特性的连续可调。基于齿轮的超材料展现出卓越性能：杨氏模量可连续调节两个数量级，实现超软态与固态间的形态转换，以及快速响应特性。这使得超材料定制化成为可能，让完全可编程材料和自适应机器人触手可及。 |
我们证明基于齿轮的机械超材料在保持稳定性、强度和高承载能力的同时，实现了原位可调谐性。这种可编程性具有鲁棒性且易于实现。齿轮簇提供了广阔的设计空间，使超材料的性能可定制化。除了已展示的杨氏模量、形状变形和冲击防护功能外，可调谐性还可扩展至其他弹性特性，如剪切模量、泊松比、强度、变形模式甚至阻尼系数（补充图21）。通过使用斜齿轮、将平面齿轮组装成如图3所示的分层结构，或合成不同类型齿轮（补充图22），还可构想三维超材料。集成制造技术将这些可调谐特性连接起来，生产出坚固的多功能设备43。以微米级超材料为例，借助高分辨率和大规模3D打印技术，可实现齿轮基超材料的进一步微型化和扩展。总之，本研究提出并展示了通过齿轮可变但强耦合的特性及内置可变性，构建可编程动态超材料的非传统设计范式。我们确立了总体概念，设计了原型，进行了力学分析，展示了宏观与微观尺度的灵活可调谐性及集成制造，并展示了其广泛的应用潜力。该设计范式拓展了全可编程材料的设计视野，从而为其实际应用探索提供了动力。 |
