科學家利用材料塑性設計力學超材料，讓材料能以任意程度步驟順序實現屈曲

力學超材料是透過精心設計的內部結構來實現超常規的力學效能的一類材料，超材料的設計通常注重其內部的幾何結構，而往往忽略了組成其結構材料本身的非線性力學特徵。

儘管當前超材料僅透過內部特殊的幾何結構發現了很多新奇且優異的力學效能，但其侷限性也十分明顯，比如僅透過結構設計就很難使超材料同時具備高剛度和高的能量耗散。前者主要用作承載，而後者則用於吸收衝擊和震動的動能。

（來源：劉文峰）

基於此，荷蘭阿姆斯特丹大學博士生劉文峰和所在團隊設想：是否可以結合材料本身的非線性力學特徵和超材料的幾何結構設計出一類新的超材料來解決上述問題？

為此，他們探索了材料中一個常見特性——塑性，即探索材料在受到過載時的失效傾向（設想一下當你用力過度去彎折鋼勺時會發生什麼）。

科學家通常會避免材料發生塑性變形，因為這會很容易使材料變軟失效。然而，透過設計和三維列印由鋼材製成的超材料，他們發現塑性軟化可以被用作控制超材料在壓縮時變形的機制。

通常，高剛度的材料和結構在載荷達到臨界值之後，會突然失效（設想踩上一個空的汽水罐會發生什麼）。

而在這項工作中，他們設計的超材料不僅強度和剛度高，而且在壓縮時會按順序逐步壓潰，事實上這一過程非常類似於雨傘傘把的回收過程。

之所以實現這一效能主要基於兩方面：首先，他們透過超材料的幾何設計來實現其失效前的高強度與剛度。其次，他們透過利用塑性軟化和超材料本身的自接觸強化，因此能夠控制超材料的壓潰過程。從而實現穩定且巨大的能量耗散。

更重要的是，這兩個特性可以同時在輕量化的超材料中實現，從而能夠巧妙解決材料無法同時具備強度剛度、能量吸收和輕量化的這一長期難題。

最後，使用這種策略設計的超材料可以被設計成多種幾何形狀和尺寸，因此這些超材料結構適用於製備多種材料，比如製備具有塑性的聚合物、金屬或複合材料。

對於相關論文，審稿人表示研究人員利用材料塑性來設計力學超材料，讓這些超材料能夠以任意大的步驟順序屈曲。為了更簡單的指導超材料的設計，研究人員提出了“屈服屈曲”。

（來源：Nature）

具體而言，旋轉方形單元的“屈服屈曲”恰好發生在彈塑性材料的屈服點，導致單元在屈曲（一種失穩形式）發生時負載下降，直到自接觸發生之後負載再次增加。透過屈服屈曲和合適的超材料結構的結合，研究人員開發了一種同時具有承載能力、高強度和最大漸進能量耗散的減震器，在各種條件下，例如在不同的節點連線尺寸之下以及在不同的載入速度和離軸壓縮之下，材料表現出連續減震變形的出色穩定性。

（來源：Nature）

與其他現有超材料相比，該項工作所提出的超材料設計結合了高剛度、高效減速和高能量耗散，並且可以使用不同的製造方法在廣泛的規模範圍內生產。

總的來說，本次論文結合材料塑性實現了超材料順序屈曲的設計策略新穎獨特，是對力學超材料領域的一項非常出色的貢獻。

期刊編輯則表示本次研究構建了一種力學超材料，它可以依次屈曲以耗散大量能量，從而實現衝擊吸能。透過觀看該作品的影片來更好地欣賞這一過程，作者們對其工作機理以及為什麼會根據材料的塑性和幾何形狀設計進行深入研究，使得其可以很容易地根據各種彈塑性材料和情況進行定製。

該項成果適用於結構同時承載與衝擊減震吸能，直接的應用場景便是各類防護裝置、汽車、飛機、火箭和地震衝擊防護。

他們的工業合作者荷蘭塔塔鋼鐵公司對這項研究非常感興趣，他們認為該項研究在汽車的衝擊防護有非常巨大的應用前景，因此這篇論文投稿之前，研究人員就聯合提交了歐洲發明專利申請。除此之外，他們認為該項研究未來還可能應用於各類形變超材料，比如高效能的柔性機器人、材料的自主裝、甚至是具備“學習”能力的動態材料。

據瞭解，該實驗室已經在超材料的變形領域研究多年。當劉文峰加入實驗室時，劉文峰和導師倫丁·庫萊（Corentin Coulais）教授就其博士課題方向展開過討論，當時大概討論了四五個方向，其中的一個方向是超材料順序屈曲變形行為。

所以在劉文峰讀博早期，他要基於實驗室先前的一些工作 [1,2]，，透過在超材料中設計一系列的條狀零能量結構（Zero energy modes）來實現上述變形特徵。

但是，當劉文峰沿著這個思路設計更高階的順序屈曲行為時卻總是失敗。直到有一天劉文峰在一本經典力學教材中讀到一小段內容，其中介紹了彈塑性杆件在壓縮下失穩的情況，並簡單討論了塑性和屈曲失穩之間的關係，這啟發了劉文峰將塑性作為超材料的設計工具（儘管塑性在以往超材料的設計中通常被避免）。

透過此，劉文峰發現當超材料的幾何結構與基材的塑性達到微妙的平衡時，會出現一種有趣的順序行為，更有意思的是，他們發現這種由材料塑性所誘發的超材料的順序屈曲行為，巧妙解決了超材料設計中剛度和能量耗散無法相容的矛盾。

之後他們發現這種順序屈曲的行為，廣泛適用於各種彈塑性材料和多種超材料結構之中，並且這類超材料具備在各種工業尺寸實現大規模生產的潛力。

當他們將這一發現展示給他們在塔塔鋼鐵荷蘭公司（一家鋼鐵製造商）的合作伙伴時，他們也非常興奮，因為這可能會應用於車輛緩衝區中理想的減震設計。

之後，為了驗證這一機理的可靠性，他們聯絡了塔塔鋼鐵荷蘭公司的一個三層樓高工業落塔上試驗裝置來進行衝擊測試，他們透過高速攝像機來捕捉高速衝擊下超材料的變形過程。實驗結果驗證了這一機理的可靠性，但實驗過程還是非常之驚險，尤其是當重達 25 公斤的鐵塊從 10 米落下之時，所帶來的震動和聲響還是相當之震撼。雖然整個過程實驗人員都是被隔離在了落塔之外，但他們價值上百萬的高速攝像機卻在離落塔實驗平臺兩米左右的距離。幸運的是，高速攝像機完好無損。

最終，相關論文以《利用序貫超材料的塑性實現理想的減震效果》（Harnessing plasticity in sequential metamaterials for ideal shock absorption）為題發在 Nature[3]，劉文峰是第一作者，荷蘭阿姆斯特丹大學科倫丁·庫萊（Corentin Coulais）是通訊作者。

圖 | 相關論文（來源：Nature）

參考資料：

1.Coulais, C., Sabbadini, A., Vink, F. et al. Multi-step self-guided pathways for shape-changing metamaterials. Nature 561, 512–515 (2018). https://doi.org/10.1038/s41586-018-0541-0

Oligomodal metamaterials with multifunctional mechanics

2.Aleksi Bossart et al. Oligomodal metamaterials with multifunctional mechanics

. PNAS 118,21, e2018610118(2021). https://doi.org/10.1073/pnas.2018610118

3.Liu, W., Janbaz, S., Dykstra, D.et al. Harnessing plasticity in sequential metamaterials for ideal shock absorption. Nature 634, 842–847 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08037-0

4.Liu, W., Coulais, C. Creating new materials by turning failure on its head. Nature (2024).https://doi.org/10.1038/d41586-024-03599-5

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