索引：
1、多稳态拓扑变换多响应超构材料突弹跳变失稳原位激活
2、受应力缓存保护的具有可变换拓扑结构的软体力学超材料
3、使用高密度液态金属电磁线圈和双稳态可拉伸磁壳的软电磁人工肌肉
4、用于超离子传导的三氢化镧
5、周期性驱动的拓扑-普通绝缘体异质结构中的 Floquet 规范异常流入和任意分数电荷
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突弹跳变失稳（包括单稳态和双稳态）是负增量刚度系统中的极值点屈曲现象。在工业界和自然界都很常见，如飞机面板、微机电系统和维纳斯捕蝇草。双稳态跳变在超构材料中具有广泛的应用，如能量捕获、机械信号传播、形状重构、机械存储和逻辑运算等。实现突弹跳变失稳的一个关键策略是合理设计结构，如von Mises桁架、斜/曲梁、圆顶壳、折纸和剪纸。到目前为止，现有的工作主要集中在利用这些结构概念提供的负增量刚度，在设计的概念阶段赋予超构材料以独特的功能。然而，一旦制造出来，它们的结构就会永久地印记在机械输入中无法改变的突跳特性，除非使用场响应材料并通过施加外部物理场（如热、磁等）来触发。因此，目前不依赖于物理刺激的概念无法在原位转换它们的力学响应，例如从突跳到单调，因为它们的突跳失稳不能在加工后本质上失效。这种不变性使它们不能像传统材料那样提供单调的应力-应变关系，也不能在许多普通应用中使用，因为在这些应用中的突弹跳变失稳是不利的。后者的一个例子是在需要在大应变下具有高力透射率的应用中，在这种情况下，跳变材料显示出它们的弱点。因此，力学响应的原位不变性是充分挖掘多功能的关键瓶颈。
近日，加拿大麦吉尔大学Damiano Pasini教授团队提出了一类可拓扑变换的超构材料，可以在制造后提供非常多样化的力学响应，包括单调的、单稳态突弹跳变和双稳态突弹跳变。通过对原位选择的结构成分进行重新编程，这个过程被称为激活过程，可以通过沿其他主轴方向切换超构材料的状态来按需开启和关闭沿一个主方向的突弹跳变失稳。为了实现这一目标，首先介绍了一个多体模型，它可以通过接触诱导的拓扑变换实现激活过程。在揭示了启用机制之后，利用多体模型提出了一种可以在单调和突弹跳变之间切换响应的2D超构材料，并展示了其在运动传输系统中基于突弹跳变的新型机械逻辑门的应用。然后，将2D概念扩展到3D，实现了一个具有可激活的突弹跳变失稳的空间多响应超构材料，它可以在一个单一的结构中整合单调、单稳态突弹跳变和双稳态突弹跳变。相关研究发表在《Advanced Materials》上。（徐锐）
文章链接：
WU L, PASINI D. In-situ Activation of Snap-through Instability in Multi-response Metamaterials through Multistable Topological Transformation[J]. Adv Mater, 2023: e2301109.
https://doi.org/10.1002/adma.202301109
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力学超材料具有超越传统材料的特性，包括可变泊松比、低密度下的高刚度、可调刚度、可调声学行为、手性等等。这些奇异的力学性能使得力学超材料可以利用在振动隔离器、能量耗散器、声二极管等方面。最近，拓扑力学超材料作为电子拓扑绝缘体的力学类似物而受到关注，其体块的介观特征和倒空间中的拓扑特征可以表现和保持表面和边界或者局部缺陷处的力学性能，即它们具有受保护的物理特性。
近日，宾夕法尼亚大学杨澍教授团队与浙江大学谢涛教授团队以及密歇根大学毛晓明教授团队合作，首次展示了由形状记忆聚合物制成的具有广义kagome晶格形式的整体式可变形拓扑力学超材料。它能够通过运动学方法可逆地探索非平凡相空间的不同拓扑相，该运动学方法将自由边界对处的稀疏机械输入转换为可切换其拓扑状态的双轴全局变换。其受拓扑保护的极化力学边缘刚度可以有效防止铰链断裂或构象缺陷。另外，该研究表明调节链移动性的形状记忆聚合物的相变可以有效地屏蔽超材料的动态拓扑响应，免受其自身运动应力历史的影响，称为“应力缓存”。这项工作为具有拓扑力学行为的单片可转换力学超材料提供了蓝图，这种材料可以抵抗缺陷和无序，同时避免它们受储存的弹性能量的影响，这将在可切换的声学二极管和可调振动阻尼器或隔离器中得到应用。相关工作发表在《Advanced Science》上。（刘帅）
文章链接：
https://doi.org/10.1002/advs.202302475
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软体致动器的柔顺性可确保在非结构化和动态环境中与邻近的人和机器进行安全可靠的交互，具有广泛的应用价值。虽然当前研究一直在探索软体驱动器的各种驱动机制，但由于该机制在许多机器人应用中被证明具有传统电动机和音圈致动器的优势，因此将基于电磁力（EMF）的驱动应用到柔顺结构中具有特殊的意义。与其他形式的驱动（如人工肌肉、形状记忆合金、介电弹性体等）相比，EMF驱动具有显著的优势，如驱动轻量便携、响应速度快、驱动电压小、更大的驱动力和位移等。虽然EMF的软体驱动器有很多优点，但是两大挑战阻碍了其实际应用：（1）其恢复力需要持续的电力消耗以保持制动器处于变形状态，大量的焦耳热会损坏制动器，导致效率低下、性能下降、寿命缩短。（2）以往的工作在实现高力输出方面也遇到了持续的挑战。
近日，韩国首尔国立大学Yong-Lae Park教授团队提出了一种设计和制造策略来开发基于电磁力的软致动器。该团队设计了一种双稳态机构，可以保持驱动器的变形状态，且无需外界持续提供电力。双稳态结构通过利用液体-金属线圈的电磁力改变两个可拉伸磁铁之间的距离，以提供两种不同的稳态。所提出的机构使用弹性体作为结构材料来制造完全基于软电磁场的制动器。还利用直接打印的技术来制造软线圈，以实现高一致性的高电磁力。基于所提出的双稳态机构和制造方法，介绍了两种软电磁人工肌肉（SEAM）驱动器。基于电磁驱动原理，驱动器工作迅速，易于与机器人系统集成。这两种驱动器由于其完全柔软的部件和结构，对外部冲击具有高弹性。此外，由于部件由弹性体外壳完全密封，它们可以在水下运行。通过在驱动器两侧使用定制的可拉伸磁铁，本工作中的SEAMs可以作为模块化的驱动器，根据不同的应用形成不同尺寸和形状的驱动系统，从而在各种实际环境中创建各种功能性软体机器人平台，包括抓手和移动机器人。文中首先讨论了SEAM驱动器的器件概念和工作原理，其次讨论了软微流体线圈、可拉伸磁铁、铁磁性硅胶和可拉伸外壳四个部件的力特性解析建模。然后评估了两个驱动器的力学性能：力、响应时间和频率响应。利用所提出的制动器的双稳态和模块化的特点，以软体机器人平台的形式展示了制动器的应用。最后，总结了本研究并进行了展望。相关研究发表在《Advanced Functional Materials》上。（徐锐）
文章链接：
SHIN G, CHOI Y, JEON B, et al. Soft Electromagnetic Artificial Muscles Using High‐Density Liquid‐Metal Solenoid Coils and Bistable Stretchable Magnetic Housings[J]. Advanced Functional Materials, 2023.
https://doi.org/10.1002/adfm.202302895
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氢化物离子（H-）具有很强的还原性和高氧化还原电位，是一种反应性的氢物种和能量载体。在环境条件下能传导纯H-的材料将成为先进的清洁能源储存和电化学转换技术的推动者。然而，以快速H迁移而闻名的稀土三氢化物也表现出有害的电子传导性。在这里，研究团队表明，通过在晶格中创建纳米级的晶粒和缺陷，LaHx的电子传导性可以被抑制超过五个数量级。这使得LaHx在-40 ℃时成为超离子导体，其H-电导率达到创纪录的1.0 × 10-2 S cm-1，扩散势垒低至0.12 eV。展示了一个室温全固态氢化物电池。
近期，中国科学院大连化学物理研究所陈萍研究员、曹湖军副研究员研究团队通过在晶格中创建纳米级颗粒和缺陷，成功将 LaHx 转变为超离子导体，为其在全固态氢化物电池中的应用奠定了基础，相关研究成果以“Deforming lanthanum trihydride for superionic conduction”为题发表在《Nature》上。（郑佳慧）
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DOI: 10.1038/s41586-023-05815-0
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量子异常是当经典对称性在量子力学水平上被破坏时产生的异常电流项，提供了一种不同于自发和显式对称破缺的对称破缺机制。最初，这种异常的对称破缺是在中性介子衰变过程中发现的。后来，大量的反常现象被揭示为量子场论的病理特征。例如，当手性费米子与背景规范场（如电磁场）相互作用时，会产生一种异常电流，会打破相应的规范对称性，即规范异常。Callan-Harvey机制表明缺陷（如畴壁、涡旋）零模异常的消除是通过本体的额外电流流入来实现的。由于高能尺度上的大量自由度被积分出去，所以处于低能极限的量子物理系统必须匹配异常。这种异常匹配会在不同的系统中带来许多非平凡的现象，如拓扑绝缘子中的零模、自旋链中的无质量激发以及量子物质中的长程纠缠。凝聚态物理中的异常得到了广泛证实，这有助于发现量子霍尔效应和对称保护拓扑相。例如，对称保护拓扑相是全局离散对称性的广义‘t Hooft异常的物质表现，其不同于连续对称性的规范异常。然而，由于Floquet稳态的规范场定义模糊，Floquet系统的异常很少被研究，包括零模式和π模式异常的共存，以及对分数电荷的直接检测等。而最近在光子系统中人工规范场的实现，为研究Floquet拓扑模的异常行为提供了新的途径。
近日，上海科技大学的潘义明和以色列理工大学的Zhaopin Chen团队合作，探讨了量子场论中“量子异常”的概念，并使用光子晶格模拟演示其在周期性驱动系统中的表现。为了研究Floquet系统中的异常，设计了一种驱动拓扑-普通绝缘体异质结构。通过调整Floquet规范，实现了π模异常。并提出了与任意分数电荷相关的Floquet异常流入。在光子晶格中的预测和观察揭示了驱动系统中的一种新的 Callan-Harvey 机制：驱动界面处的π 模式异常可以与来自 Floquet 体的规范异常流入相匹配，为在光子材料的Floquet工程背景下驱动规范异常提供了一种新方法。相关工作发表在《PHYSICAL REVIEW LETTERS》上。（金梦成）
文章链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.223403
