最新Nature，颠覆传统超材料设计！3D打印多尺度网络实现高效吸能、抗冲击与弹性波调控- 大数跨境

启明增材制造

2026-11-12

[启明增材制造]传统力学超材料有一个常规前提：单元胞是“同质”的。通常可以是方 lattice、六边形 lattice、Voronoi 泡沫……无论结构多复杂，通常都由一个或少数几个特征尺度控制：韧带长度差不多、厚度差不多、连接度也差不多。

自然界似乎遵循着另一套规则。蜻蜓翅膀上的脉络有粗有细，树叶中的叶脉长短交错，蜘蛛网的连接方式也远非均匀。这些看似不规则的多尺度网络，往往兼顾了轻量化、承载与损伤分散。问题在于，能否跳出“统一单元格”的思路，将这种跨尺度的结构差异变成一套可计算、可制造、可调控的材料设计方法？

2026年11月11日，美国东北大学、麻省理工学院等团队提出一种“多尺度丰富性超材料”（Scale-rich network-based metamaterials）框架，只用两个参数，就能让韧带长度、厚度和连接度在同一个材料里同时跨越数量级，并获得传统单尺度超材料难以兼得的力学性能组合。论文在线发表于《Nature》的顶刊。

01
一个“生长出来”的超材料

这项工作把材料看作一张不断生长的网络：在正方形区域内随机放入支杆，新支杆遇到已有支杆或边界即停止并在交点连接；随生成推进，支杆厚度按幂律减小。生长500步后，区域被粗细、长短交织的骨架填满，形似天然叶脉而非规则网格。设计仅由初始厚度 λ₀ 和衰减指数 α 控制，参数不同可进入“堵塞态”或保持可调密度。研究者用光固化和双光子光刻分别制备厘米、微米尺度样品，并发现支杆厚度、长度和连接度均呈宽分布，与传统方格、六边形和 Voronoi 结构截然不同——多尺度由此成为可编程的设计变量。

图1：尺度丰富网络超材料的设计与构筑

力学弹性阶段：可调各向异性

结构复杂，力学性能未必难预测。研究者首先考察弹性阶段的方向，六边形和Voronoi结构各向刚度接近，方格结构沿支杆方向更硬；SR网络则可通过α在近各向同性与明显方向依赖之间连续切换。以最小/最大刚度比衡量各向异性，2600种SR微结构在40%相对密度下可从0.12调至0.88，覆盖传统结构难以达到的区域。α增大时最大比刚度上升、最小比刚度基本稳定；3D打印压缩实验验证了这一趋势，支杆能量标度关系也显示杂乱受力背后仍有可描述规律。

图2：SR超材料的可调弹性各向异性

03
大变形：更高韧度承载

但材料真正接受考验，往往是在大变形时。研究者将不同结构压至较大应变，发现方格、六边形和Voronoi样品会出现各自典型的局部失稳；SR样品的应力则整体随压缩持续上升，表现出更平稳且可调的承载响应（图3a）。以压缩到40%应变前所吸收的能量评价韧性，SR结构在不同密度下可以达到或超过多种参照结构的水平（图3b）。差异从变形图像中看得更清楚：方格和蜂窝容易形成横贯样品的压溃带，Voronoi结构也会在局部集中塌缩；SR网络却让众多细小支杆在不同位置逐步变形，未形成明显的连续压溃带（图3c）。由于各处支杆的长度和失稳阈值不同，一根支杆屈曲不容易引发整片结构连锁塌陷。在25%宏观应变下，其变形局域化指标不超过0.2，比Voronoi结构低约37%（图3d）。简单说，压力不再集中由某一层“硬扛”，而是让整个网络共同承担。

图3：SR超材料的非线性压缩与损伤分散行为

瞬间冲击下，多尺度网格性能最优

在约100 s⁻¹冲击下，SR网络仍能把损伤分散到整个骨架：方格逐层压碎、六边形沿斜向形成破坏带、Voronoi局部压溃，而SR的力—时间曲线更平稳，无明显尖锐反复力峰。在对比的多类周期与无序结构中，它同时实现最高单位质量能量耗散和最低峰值力；结合各向异性与局域化分析，SR在保持损伤分散的同时具有更宽的方向刚度调节范围，为头盔、防护包装等优化提供方向。

图4：SR超材料的静态与动态力学性能

功能：可编程弹性波调控

SR网络还能调控弹性波：借鉴光学折射率概念，其有效折射率可通过网络参数在约1.5–8.3间调节，而方格、六边形结构在相同密度范围内仅约1.0–1.9。仅靠骨架排布改变，同一基体材料就能获得显著不同的波传播特性。团队用不同SR单元拼出折射率由外向内变化的类龙伯透镜，有限元模拟显示平面弹性波穿过透镜后明显汇聚，焦点强度远高于旁瓣；随机排列同类单元的对照透镜焦点强度弱约三个数量级。这虽是模拟验证，但表明多尺度网络可从承载结构拓展为调控振动与波传播的功能结构。

图5：基于SR超材料的弹性波聚焦透镜

可定向、可梯度、可三维：SR网络精准保护脆弱部件

这套方法不限于随机网格：指定支杆方向与生成位置，可构建定向、极化、密度梯度等网络，并将二维设计延伸为三维板状或梁状骨架；即使手掌等不规则轮廓，也能分区组合不同排列。为展示保护效果，团队借鉴柚子皮多尺度结构，围绕脆弱PMMA圆盘设计SR网络，使力传递路径绕开保护区。光弹实验中传统网格圆盘应力条纹明显，SR结构显著减少；模拟显示相同压缩下受保护圆盘平均应力最多可降至约1/4.91。这说明多尺度网络不仅影响整体承载，还能精细调控局部应力分布。

图6：SR网络设计的灵活性及应力保护应用

总结及应用

把“网络异质性”做成材料，只用两个参数，就让超材料同时获得可调各向异性、离域变形、动态吸能和弹性波调控能力。最可能在防护缓冲、轻质承载原型、局部保护结构上看到概念验证和专利布局；波控器件停留在模拟/小样品演示。若多材料打印、金属/陶瓷增材制造和三维实验跟上，有望进入航空航天缓冲、汽车安全件、精密仪器包装、声振调控等场景。

活动推荐

2027固态增材制造创新论坛 | 第1轮通知

会议时间：2027年1月13-15日

会议地点：浙江 · 宁波

主办单位：Flink启明产链

承办单位：厦门启明产服科技研究院有限公司

专题1：冷喷涂增材制造

○ 物理过程与结合机制

○ 材料微观结构与演变

○ 沉积层的力学性能研究

○ 工艺挑战与应用趋势

专题2：超声增材制造

○ 工艺基础与参数建模

○ 微观结构与力学表征

○ 工艺积累与装备突破

○ 电气化/电子等工业应用验证

专题3：增材摩擦搅拌沉积

○ 工艺基础概述

○ 动态微观结构演变

○ 沉积层力学性能探讨

○ 潜在工业应用

○ 基于摩擦的增材制造技术探讨

专题4：粘结剂喷射技术

○ 原料与粘结剂选择

○ 打印精度控制与表面处理

○ 粘结剂喷射技术应用

○ 固态烧结原理与模型

○ 磁性材料增材制造方法

包含但不限于以上议题，欢迎联系合作提供定制化专题。

为给大家提供精准的需求对接和服务，启明增材制造交流群正式上线，欢迎大家扫码进群交流探讨↓↓↓。