機械超材料正在成為新材料領(lǐng)域的主角

作者：吳玲玲，西安交通大學制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室副教授；周濟，清華大學材料學院教授、中國工程院院士
來源：科技導報

近年來，受益于3D打印先進制造技術(shù)和機器學習設計方法的快速發(fā)展，機械超材料的研究取得了卓越的成果，實現(xiàn)了一系列自然界罕見甚至不存在的反常規(guī)、反直覺的力學性能。本文從機械超材料的特異力學性能、智能化設計方法和基于增材制造的加工工藝三個方面回顧了2021年度的相關(guān)研究熱點，重點關(guān)注了機械超材料與機器學習、模塊化設計和3D打印制造工藝的融合。

隨著超材料在電磁學領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，它逐漸成為一種探索新奇性能的設計思路，通過人工構(gòu)筑單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對超材料整體性能的調(diào)控。在諸多超材料研究領(lǐng)域，機械超材料是一個備受矚目的方向。機械超材料嚴格受控于其內(nèi)部的單元結(jié)構(gòu)，其設計自由度遠遠廣于自然材料。而正是對單元結(jié)構(gòu)的巨大可操作性，機械超材料打開了一個探索特異力學性能的大門，大大拓展了新材料的設計空間，催生了一系列反常規(guī)甚至反直覺的力學特性。因此，機械超材料的推廣應用，對于基礎研究、工程應用和人們的日常生活都有著重要的研究意義，打破了人類對傳統(tǒng)材料力學屬性的認知局限。

基于機械超材料可以實現(xiàn)可編程、自決策、邏輯運算等自然材料不具備的特性。隨著人類對太空、深海、核輻射等極端環(huán)境的探索不斷深入，對一種甚至多種特異力學性能的需求也愈發(fā)迫切。機械超材料已然成為探索力學世界的先行者以及促進力學與其他學科交融的催化劑。

機械超材料的特異力學性能
通過人工設計等效力學參數(shù)，研究人員實現(xiàn)了可控制聲波傳輸?shù)穆晫W超材料，從而獲得聲隱身、聲學超透鏡等功能。聲學超材料所呈現(xiàn)的新奇力學性能本質(zhì)上源自對其等效模量和質(zhì)量密度的自由操控。

除此之外，可被人為干預的力學參數(shù)還包括泊松比、熱膨脹系數(shù)等。此類機械超材料往往具有一個或多個反常的等效力學參數(shù)值，在生物醫(yī)療、精密儀器、吸能隔振等領(lǐng)域都有著廣泛的應用價值。

反常力學參數(shù)
反常力學參數(shù)的實現(xiàn)往往需要復雜的結(jié)構(gòu)和多種材料的結(jié)合，采用傳統(tǒng)的制造工藝很難實現(xiàn)。

隨著先進制造技術(shù)的發(fā)展，制造問題逐步得到解決，有關(guān)反常力學參數(shù)的超材料研究也相繼從理論探索走向工程應用。例如，將負泊松比結(jié)構(gòu)與形狀記憶材料相結(jié)合，可以實現(xiàn)超材料形狀在制作之后的人工調(diào)整，呈現(xiàn)出具有特定記憶性能的4D打印效果。

△具有形狀記憶效果的二維拉脹結(jié)構(gòu)

負熱膨脹也是反常力學參數(shù)的典型代表。采用熱膨脹性能不同的2種材料相結(jié)合的方法，可以實現(xiàn)熱膨脹系數(shù)可人工調(diào)控的機械超材料。

近日，清華大學研發(fā)了一種具有雙軸熱收縮特性的液晶彈性體負熱膨脹超材料，并與醫(yī)用敷料相結(jié)合，用作防護傷口的醫(yī)用貼片，具有透氣性強、避免疤痕生成的優(yōu)點。

△負熱膨脹液晶彈性體醫(yī)用貼片

基于機械超材料，還可以操控結(jié)構(gòu)整體的等效剛度，獲得負剛度、或接近于零甚至絕對等于零的等效剛度，此類結(jié)構(gòu)可被廣泛用于工程中對低頻或超低頻機械振動的屏蔽，有效保護人員和精密儀器不受振動的影響。

例如，采用Tachi-Miuraorigami折紙結(jié)構(gòu)，并將其與正剛度的彈性元件結(jié)合，可以便捷地實現(xiàn)準零剛度隔振器，展現(xiàn)出了優(yōu)良的低頻隔振性能和靈活的可設計性。

△基于Tachi-Miura類型折紙結(jié)構(gòu)的準零剛度隔振超材料

可重復編碼
超材料最大的特點是其單元性能可被人工調(diào)控，從而在空間分布上呈現(xiàn)各向異性特征。

例如，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院的研究人員提出了一種具有穩(wěn)定記憶性能的機械編碼存儲超材料，采用雙穩(wěn)態(tài)單元表征數(shù)據(jù)中的0和1，可以將信息存儲在陣列排布的機械結(jié)構(gòu)中，實現(xiàn)類似電子計算機的硬盤讀寫功能。這種機械存儲方法具有安全性高、可重復擦寫、能耗低等特點。

△具有穩(wěn)定記憶的可重復編程機械存儲超材

天津大學陳焱教授團隊開發(fā)了一種具備多種變形方式的可重構(gòu)單元，并以“搭積木”的方式構(gòu)建三維機械超材料，實現(xiàn)了泊松比在（-∞，+∞）范圍內(nèi)的獨立編碼。

△具有多變形路徑且泊松比可人工編碼功能的機械超材料

機械計算
采用機械超材料可以實現(xiàn)具有運算和自決策能力的智能結(jié)構(gòu)，在太空探索和非電驅(qū)的極端環(huán)境下有著廣泛的應用價值。而機械計算的基礎是基本邏輯門的構(gòu)筑。

目前，已經(jīng)有很多相關(guān)的研究成果被報道，大多基于雙穩(wěn)態(tài)或多穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，例如采用可翻轉(zhuǎn)的雙穩(wěn)態(tài)剪紙結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)基本邏輯門的構(gòu)建。

△采用雙穩(wěn)態(tài)可折疊結(jié)構(gòu)實現(xiàn)基本邏輯門構(gòu)建

基于此類機械邏輯門單元，可以實現(xiàn)計算模塊的整合，實現(xiàn)機械計算體系。未來的機械超材料將被賦予信息處理和邏輯運算的能力。

△信息處理作為一種基本的材料屬性服務于機械運算體系

機器學習與機械超材料
機械超材料的研究包含設計和制造2個環(huán)節(jié)，其中設計問題是超材料的核心問題，尋求多功能超材料的自動化、模塊化設計至關(guān)重要。

所謂的自動化實現(xiàn)，即指定超材料的目標性能，以自動化的方式、快速地給出易于制造的微結(jié)構(gòu)布局，這對機械超材料在工業(yè)界的推廣和應用極有意義，而機器學習的迅猛發(fā)展，恰為超材料的自動化設計提供了便捷的工具。

例如，將神經(jīng)網(wǎng)絡和遺傳算法相結(jié)合可以同時實現(xiàn)彈性模量的最大化和波速最小化的雙目標功能，并可以兼顧超材料的可制造性。得到的機械超材料在沖擊作用下表現(xiàn)出最優(yōu)化的力學性能。

△將神經(jīng)網(wǎng)絡和遺傳算法相結(jié)合實現(xiàn)多目標下的最優(yōu)力學性能

同樣地，將機器學習算法引入到負泊松比超材料的設計中，可以有效搜索出最優(yōu)參數(shù)，實現(xiàn)超材料的快速智能設計。

△采用遺傳算法自動搜索負泊松比機械超材料最優(yōu)參數(shù)

3D打印與機械超材料
機械超材料的核心是通過人工控制內(nèi)部微結(jié)構(gòu)實現(xiàn)整體特異力學性能，往往具有復雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，很難用傳統(tǒng)的制造工藝實現(xiàn)。所以，制造問題曾一度成為機械超材料發(fā)展的重要阻礙。

隨著先進制造技術(shù)的快速發(fā)展，尤其是3D打印技術(shù)的不斷推廣，機械超材料的晶格結(jié)構(gòu)也經(jīng)歷了從宏觀尺度不斷向微米甚至納米尺度發(fā)展的“小型化”過程，許多具有精細設計的微結(jié)構(gòu)功能材料不斷地涌現(xiàn)出來。

這些結(jié)構(gòu)往往都具有輕量化、高強度、一體化成型的優(yōu)點，為其在工業(yè)中的廣泛應用奠定了基礎。目前，3D打印已經(jīng)成為三維復雜機械超材料的主流制造方法。例如，采用3D打印可以實現(xiàn)具有熱膨脹系數(shù)可正可負的陶瓷機械超材料，性能可人工調(diào)控的張拉結(jié)構(gòu)以及軟硬可控的連鎖超材料等。

△采用3D打印制造工藝實現(xiàn)復雜機械超材料的輕量化、一體化快速成型（a）具有負熱膨脹效應的陶瓷機械超材料；（b）性能可編程的張拉結(jié)構(gòu)；（c）軟硬可調(diào)控的連鎖形機械超材料

隨著3D打印制造工藝的不斷成熟和完善，可打印的材料也越來越全面，一些長期止步于理論研究的復雜超材料開始逐步邁向應用。

結(jié)論
機械超材料不僅僅是常規(guī)自然材料的補充，它已經(jīng)逐步成為新材料領(lǐng)域的主角，被賦予了更加豐富的功能特性，包括可重構(gòu)、可編程、自決策及機械運算等。未來，自然材料的功能屬性將逐漸淡化，更多情況下將以原材料的形式作為功能性超材料的組分。

結(jié)合人工智能、機器學習算法以及3D打印先進制造工藝，機械超材料可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢：巨大的可設計性和靈活的人工調(diào)控能力。