今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及吸声材料、基于逆向设计元色散微谐振器的定制微梳、非厄米系统中的动态简并分裂和定向隐形、二维点阵结构材料的非预期弯曲行为等敬请期待！
索引：
1、吸声材料
吸声材料被设计为通过结构-介质界面附近的热粘性效应释放声能。吸声材料的设计涉及许多重要因素，包括吸收效率、工作带宽、结构厚度、结构重量、制造复杂性以及其他机械和材料特性。这些因素应该被全面考虑，从而满足特定应用的要求。多年来，吸声材料的研究领域在不同条件下产生了大量高效吸声的优异结果。
近日，同济大学的李勇教授和祝捷教授联合香港城市大学蔡定平教授团队，发表了观点文章，概述了吸声材料从单谐振器到耦合谐振系统的最新进展和未来前景。作者首先介绍吸声的基本原理和单共振吸声材料的守恒量，然后讨论该领域的最新相关研究。然后，作者重点研究耦合谐振吸声材料，它利用多个谐振器的耦合来实现可调谐、高效和宽带吸收。之后，本文介绍了控制一般吸声材料守恒量的因果原理，并概述了接近因果关系控制的最佳厚度的宽带吸声材料的设计策略。此外，本文还讨论了多功能吸声材料以及吸声超材料在气流环境中的应用潜力。最后，作者对吸声材料的开发和应用的潜在未来方向提出了看法。本文发表在《Phys. Rev. Applied》上。（刘帅）
文章链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.20.010501
2.基于逆向设计元色散微谐振器的定制微梳
光学微谐振器中的非线性波混频为产生紧凑的光频率微梳提供了新的前景，使越来越多的应用成为可能。微梳的产生通常基于耗散克尔孤子。耗散克尔孤子是通过非线性相移来平衡非线性增益、异常群速度色散和泵浦激光失谐而实现的。以二阶色散为主所得到的耗散克尔孤子脉冲在时域和频域上具有一个平方的正切双曲分布。由于与克尔非线性平衡，谐振器主要是色散决定了所支持的非线性状态的脉冲形状和频谱。在电信等应用中需要定制梳状光谱轮廓，其中每模式的高功率和光谱平坦度可提高数据链路的性能和效率。然而，目前所需的微梳光谱与所需的色散、材料特性或谐振器的几何形状之间没有直接关系。此外，在谐振器中实现精确的色散控制历来是一个巨大的挑战，目前仍缺乏一种经过验证的技术来实现任意色散。数值计算和机器学习的最新进展为系统设计和优化引入了新的方法。与此同时，集成光子学不仅为大型系统的小型化提供了潜力，而且还可以更好地控制光的模式，特别是在光子晶体或拓扑优化元件中，这为实现高度可定制的微谐振器铺平了道路。
近日，美国国家标准与技术研究所的Erwan Lucas和Scott B. Papp团队提出了一种通过逆向设计来塑造微梳光谱包络的方法。其对任意色散分布进行数值优化，以根据目标脉冲形状和频谱定制谐振器的相关非线性状态。然后通过光子晶体谐振器间接实现由此产生的复杂色散关系，其中可以通过多个选择性模式分裂来控制谐振频率以创建元色散。展示了设计过程的完整迭代和微梳形成的第一个实验证据。设计步骤首先是对谐振器的控制方程进行数值求解，并使用遗传算法迭代优化色散和泵浦参数，以创建所需的微梳形状。这种方法特别引入了基于目标梳克尔位移的分析模型，以有效生成初始色散。其次，确定实现优化色散所需的光子晶体谐振器拓扑。最后，展示了光子晶体谐振器中元色散的实现以及在这些设备中梳状生成的初步观察。相关工作发表在《Nature Photonics》上。（金梦成）
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https://doi.org/10.1038/s41566-023-01252-7
3.非厄米系统中的动态简并分裂和定向隐形
非厄米哈密顿量可以有效地描述与外部环境存在能量交换的系统的动力学特征。如果没有厄米性的约束，哈密顿量的特征值可能会变得很复杂，从而导致非厄米系统中出现许多有趣的现象。例如非厄米趋肤效应（NHSE），指的是系统中广泛的本征态集中分布在开放边界处，并且能谱对边界条件的变化高度敏感。在一维中，NHSE可以在非布洛赫能带理论的框架内得到很好的理解。扩展到更高的维度，NHSE 中的一些新现象已经被发现，并且还尝试了非布洛赫理论的高阶推广。然而，仍有许多问题需要解决，比如最近发现的几何依赖的趋肤效应，其中NHSE的出现取决于开放边界的几何形状。如何解释并检测此类现象在更高维度的存在？先前的研究表明，布洛赫能谱可以准确地预测高阶NHSE的存在；然而，该方法丢失了在给定频率周围能带结构的信息，且未能将NHSE与现实的物理观察联系起来。例如，在凝聚态物理中，系统的输运和响应特性主要由费米能附近的激发决定，只有出现在费米能级附近的 NHSE才重要，但这并不能从能谱的方法中推断出来。这些考虑启发我们寻找NHSE与频率的对应关系，从而将NHSE 应用于更广泛的物理场景。
近日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心的方辰研究员与中国科学院大学卡弗里理论科学研究所的杨哲森合作证明了动态简并分裂对于 NHSE 的出现起着频率准则的作用。从体-边对应的角度来看，动态简并分裂反映了NHSE的体特征并且与边界条件无关，这意味着动态简并分裂可能比NHSE更接近本质。动态简并分裂不仅有助于理解NHSE的物理起源，而且揭示了其与格林函数的深层关系。鉴于这种联系，他们进一步建立了非厄米系统中的散射理论，并揭示了当动态简并分裂发生时，散射波将被杂质衰减。将散射理论应用于几何依赖的趋肤效应，他们提出了一种非厄米系统特有的新现象，称为定向隐形，指的是当杂质线处在多个空间方向上时，入射波包的反射分量是可见的，但在其余方向上是不可见的。在应用上，定向隐形可以作为一种实验上可行的方法来直接检测几何依赖趋肤效应的存在。相关工作发表在《Physical Review Letters》上。（张甜）
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DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.036402
4.基于超材料纺织品的植入式无线网络
利用植入式生物电子设备组建的分布式网络，可用于在全身范围内感知身体的健康状况并提供治疗，以解决广泛的未满足的临床需求。例如，植入式生物电子设备的分布式网络可以用于自主功能自适应调节，提供闭环假肢感觉反馈，以及糖尿病自主管控等方面。然而，目前临床使用的无线通信方法不支持植入物之间的直接联网，因为身体对信号的吸收和反射会造成信号损失。因此，现有的植入式网络不仅依赖于构成单点故障并需要定期充电的外部中继设备。这导致植入式网络在临床以外的应用会受到阻碍。
近日，来自新加坡国立大学的电气与计算机工程学院的John S. Ho教授团队提出了一种使用利用超材料纺织品在人体搭建植入式无线网络的方法。其所采用的可穿戴的超材料是具有亚波长结构的人造材料，可以对光学、声学和射频场进行有效的调控。这种超材料纺织品可控制射频信号沿身体表面无辐射传播，避免信号损失的同时，并可将接收到的信号强度被动放大三个数量级以上(>30 dB)。这种利用超材料纺织品构建的植入式无线网络在猪生物模型上取得了良好的实验效果，在超过40cm的距离上利用无线网络环路记录器和迷走神经刺激器实现了心率的闭环控制。这项工作构建的无线技术，可以直接将身体集成设备联网，用于精确和自适应的生物电子治疗，并有望应用于人机界面、环境传感和汽车工业等多个领域。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。(李治含)
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Tian, X., Zeng, Q., Kurt, S.A. et al. Implant-to-implant wireless networking with metamaterial textiles. Nat Commun 14, 4335 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-39850-2
5.即插即用的折纸模块及其通用变形模式
物体的三种基本运动，即弯曲、扭转和收缩/延伸，以及它们之间组合使得自然界生物的运动方式多种多样。实现这些从简单到复杂的运动类型是机器人领域的关键研究方向。在这方面，具有柔顺性和较安全的人机交互能力的软体驱动器展现出了非凡的潜力。现有的大多设计表现为单一运动模式，仅有收缩、弯曲和扭转等运动形式，这限制了它们实现复杂多自由度运动的能力。相关研究人员通过多级联连接这些单一运动模式从而实现复杂的空间运动，但由于每个独立致动器的简单功能导致了单一驱动器的运动轨迹和控制十分复杂。因此，开发出具有多模式的驱动器意义重大。
近日，西湖大学姜汉卿教授团队研发了一种基于折纸结构的气驱动的的变形单元，其变形模式包括了三种解耦的基本运动类型和这些基本类型的四种组合，实现了七种不同的运动模式。这些折纸模块可以随时组装，甚至在运行过程中，具有即插即用的特性，极大地提升了气驱动机器人的功能特性。这些具有多变形模式的折纸模块为软体机器人执行复杂任务提供了巨大的可能。相关成果以“Plug & play origami modules with all-purpose deformation modes”为题发表在《Nature Communications》上。（孙嘉鹏）
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-023-39980-7
6.二维点阵结构材料的非预期弯曲行为
力学超构材料可以实现传统材料无法实现的超常变形。一个典型的例子是由刚性连接梁组成的平面周期性网络构成的2D点阵，根据单元格结构的不同，它不仅可以表现出正的面内泊松比（IPRs），也可以表现出负的面内泊松比（IPRs）。对于具有正泊松比的传统弹性板，单向弯曲会在一侧引起纵向拉伸，在另一侧引起纵向压缩，进而分别引起横向收缩和膨胀。因此，如果施加的弯矩足够小，以至于平面外挠度小于厚度，板就会出现马鞍形弯曲。由于几何非线性效应，弯矩的进一步增大往往会抑制横向曲率，从而使板变成圆柱形。根据这些结果，人们普遍认为，在相同的加载条件下，正泊松比的二维点阵也会出现这种情况，而负泊松比点阵则会出现同步曲率（圆顶形）。在分别具有正泊松比和负泊松比的传统和重入二维六边形蜂窝中，这两种曲率都很容易观察到。同向弯曲模式激发了形状变换应用的创新方法，例如双曲面飞机结构的制造、弯曲活性建筑的建造，以及自适应时装、家具、运动器材和软体可穿戴机器人的设计。值得一提的是，有限元建模（FEM）表明，二维反螺旋圆柱体韧带蜂窝具有负泊松比，但在短韧带限制下会形成反弹性弯曲形状。这并不意味着例外，因为在这种情况下，圆柱体的旋转机构是多余的，因此材料的实际弯曲与具有正泊松比的六边形蜂窝相似。迄今为止，尚未发现与公认的弯曲规则相冲突的情况。
近日，中国科学技术大学何陵辉教授团队将理论与实验相结合，探索了二维点阵材料的单向弯曲，其星形单元格由矩形截面的弹性梁组成。虽然还有其他结构形式，但星形结构便于通过改变重入角来改变泊松比的符号。在材料的泊松比保持不变的情况下，通过改变梁的扭转与弯曲刚度比，弯曲曲率可以在鞍形和同向弯曲之间转换。换句话说，无论泊松比的符号是什么，点阵材料都能在不同横梁截面上弯曲成鞍形、圆柱形或圆顶形。这一结果打破了人们的普遍看法，归因于梁的轴向扭转和平面外弯曲之间的竞争性相互作用。需要注意的是，在一些具有特定折痕模式的折纸中也出现了类似的弯曲曲率与泊松比无关的情况，但两者的结构和机制都不同。为了捕捉横梁轴向扭转的作用，文章建立了一个基于Cosserat弹性的连续模型来描述二维点阵的异常弯曲行为。相关研究发表在《Science Advances》上。（徐锐）
文章链接：
YAO Y, NI Y, HE L. Unexpected bending behavior of architected 2D lattice materials[J]. Science Advances, 2023, 9: eadg3499. https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adg3499
7.力学超构材料中的计数和序列信息处理
对一系列信号进行计数是一个基本过程，可以在简单的电子或神经网络中实现。即使是捕蝇草也会计数，尽管它没有大脑，但只有在被触碰两次时才会闭合。虽然计数能力通常与材料无关，但某些复杂材料，从皱褶的薄片到无定形介质，都能表现出记忆效应，其状态取决于驱动历史。在循环驱动下，它们的响应可能具有次谐波行为，或者如最近所显示的那样，具有瞬态记忆，即系统只有在τ>0个驱动周期后才会稳定在周期性响应中。当材料对不同幅度的驱动循环次数进行编码时，就会产生多重瞬态记忆。因此，表现出（多重）瞬态记忆的材料可被视为计数材料。迄今为止，瞬态记忆是在无序介质中观察到的。无序在临界驱动阈值中产生散射，使系统沿着一系列瞬态演化，从而可能导致更复杂的记忆效应。因此，具有受控瞬态和阈值的“计数”材料可以让人们深入了解（多重）瞬态记忆效应。此外，它们还能简化软机器人和智能传感器的设计，并为实现顺序信息处理开辟道路。
近日，荷兰莱顿大学Lennard J. Kwakernaak团队介绍一种可计算的周期性机械压缩超构材料通用平台。它的单元格有一个记忆梁（m-beam），要么向左弯曲，要么向右弯曲，用二进制值si=0或1来表示它。单元格设计为与其相邻单元格相互作用，在循环压缩下，处于1状态的任何单元格都会将该状态复制到其右侧相邻单元格。这就产生了一个机械时钟波，“1”状态向右移动，每个压缩周期移动一个单元格。因此，集体状态S:={s1, s2, ...}的演变就像细胞自动机一样，反复循环压缩产生简单的可预测路径。此外，它们还提供了一种无障碍、可控的瞬态存储器。通过在聚合超构材料中组合这种梁计数器，实现了对多振幅压缩循环的检测，相当于多个瞬态存储器。最后，异质计数器表现出复杂的记忆效应，瞬态时间取决于驱动幅度，响应则取决于驱动序列。总之，该超构材料为在超构材料中实现有针对性的多步骤途径建立了一个通用平台，并为在材料中实现顺序信息处理开辟了一条途径。相关研究发表在《Physical Review Letters》上。（徐锐）
文章链接：
KWAKERNAAK L J, VAN HECKE M. Counting and Sequential Information Processing in Mechanical Metamaterials[J]. Physical Review Letters, 2023, 130(26).
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.268204
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