在传统观念中，材料的“软”或“硬”似乎是天生注定的：橡胶永远柔软，钢铁始终坚硬。然而，随着智能材料和结构设计的发展，科学家们正努力打破这种“刚柔一成不变”的局限。我们希望拥有这样一种材料：在需要缓冲时变得柔软，在需要支撑时变得刚强，并能根据外部需求快速切换“力学性格”。
近日，武汉大学李洋教授团队提出一种单自由度机制驱动的力学超材料设计范式，实现了应力–应变曲线的可编程与快速重构。该设计通过精巧构型，使每一个结构单元都沿预定路径变形，摆脱了传统多自由度结构中“最小能量路径”的束缚。更进一步，研究还引入了记忆合金元件，使材料能够在不同力学响应模式间灵活切换，真正实现刚柔切换、按需响应的智能力学特性。这一研究为构建具备自适应能力的工程结构与功能材料提供了全新思路。相关成果以题为 “One-Degree-of-Freedom Mechanical Metamaterials with Arbitrary Prescribability and Rapid Reprogrammability of Force–Displacement Curves” 为题发表在Research上，这项工作为可编程结构材料的设计提供了新范式。
Citation: Li H, Li W, Yang H, et al. One-Degree-of-Freedom Mechanical Metamaterials with Arbitrary Prescribability and Rapid Reprogrammability of Force–Displacement Curves. Research, 2025, 8: 0715.
https://doi.org/10.34133/research.0715
研究背景
力学超材料通过在材料内部引入多孔结构与智能响应单元，可实现一系列传统材料难以具备的力学特性，如负泊松比、可定制的应力–应变响应、多稳态行为、刚度各向异性以及可调刚度等。这类超材料的结构形态丰富，包括多孔/泡沫/层级/多胞元/梯度结构、双稳态单元拼接、微型桁架与梁、极小曲面、Miura折纸堆叠结构，以及基于连杆机构的设计等。应力–应变关系是力学性能的核心表征，涵盖刚度、强度以及随应变发生的硬化或软化行为。近年来，一种重要的研究方向是开发可实现指定非线性应力–应变曲线的可编程超材料。例如，零刚度特性适用于振动隔离，应变硬化行为有助于在满足日常使用舒适性的同时实现极端冲击下的能量吸收；接近皮肤或组织的力学特性使其在柔性穿戴设备与生物支架等领域具有广阔前景。然而，目前大多数超材料的力学响应仍主要体现为单向的应变硬化，缺乏可实现多级应变软化的能力。尚未有超材料系统在同时满足轻量化（高应力/质量比）、大变形能力（应变超过50%）、易于加工（如可直接一体式3D打印）以及任意定制非线性应力–应变行为（包括可控的软化/硬化位置与幅度）等关键指标方面实现全面突破。
研究进展
研究团队对比分析了单自由度与多自由度系统在实现可编程力学响应方面的能力。以三种典型结构为例——不同刚度的线性弹簧串联、非线性弹簧串联系统，以及由单自由度机构与弹性元件耦合构成的单自由度系统。结果表明，多自由度系统由于其“欠驱动”特性，变形路径受限于最小能量原则，难以实现复杂的应力-应变关系。而单自由度系统则可精确控制结构的运动路径，突破传统设计限制，具备实现任意非线性力学响应的潜力(图1)。
图1 单自由度与多自由度可变形系统实现任意响应的能力比较
随后，针对上述问题，提出了一种基于弹性组件与运动学基座耦合的机械超材料新范式。本文采用单自由度运动学框架与弹性组件相结合，有效消除了多自由度系统中能量梯度对变形路径的影响(图2)。
图2 基于弹性组件与单自由度运动学基座耦合的机械超材料平台
每个弹性组件包含两个整数设计变量和六个实数设计变量,通过对其压缩过程中的能量变化进行描述，实现了机械超材料应力-应变曲线的参数化表达。研究团队采用双材料 3D 打印技术制备了四组不同目标曲线的样本，实验结果验证了理论模型的准确性与有效性。此外，团队还系统分析了不同数量弹性组件对同一目标曲线拟合效果的影响（图3和图4）。
图3 基于四种目标响应的单自由度机械超材料逆向设计实验结果
图4 五种典型应力-应变曲线的逆向设计及弹性组件数量的参数化分析
随后，团队引入记忆合金(SMA)作为可调刚度元件，通过外部激励实现超材料响应的快速切换和重构，提升了结构的适应性和功能多样性，为智能自适应功能材料的发展提供了新思路(图5)。
图5 记忆合金驱动的超材料响应快速切换及可重构性能展示
最后，本研究进一步拓展了单自由度机械超材料模型，实现了可设计的各向异性力学响应，支持多方向应力-应变曲线的逆向设计，这一进展丰富了超材料的设计维度，提升了其实际应用潜力(图6)。
图6 所提机械超材料的各向异性响应设计能力概览
未来展望
本研究揭示了多自由度机械超材料类似“欠驱动系统”的本质，其变形过程受能量最小原理约束，难以实现任意力学响应。针对这一问题，研究团队提出反设计策略，通过理论、仿真与实验系统验证，实现了硬化/软化位置可调、响应程度可控的各向异性非线性行为。该材料兼具轻量化、大变形与易加工等优点，为智能可重构结构的设计提供了新范式。
作者简介
李洋，武汉大学研究员，2012-2017年于牛津大学获博士学位（导师：Zhong You），2017-2020年在加州理工学院从事博士后研究（导师：Sergio·Pellegrino）研究方向为变体结构，应用领域包括软体机器人、血管支架与手术器械、可重构机器人、传感器设计、可展结构以及力学\可重构超材料等。课题组长期诚招博士后研究人员。欢迎对相关方向感兴趣的同学和研究者合作交流。
邮箱:yang.li@whu.edu.cn
课题组主页:http://jszy.whu.edu.cn/yang_li
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