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为解决机械超材料设计难题，研究人员开展模仿骨组织适应性优化拉伸超材料机械性能的研究。通过算法合理分布软硬相，结果显示可扩展弹性性能范围等。该研究为多领域设计提供新思路。
在材料设计的前沿领域，科学家们一直致力于创造具有独特性能的结构材料，如具有负泊松比（auxetic）、超高刚度或柔韧性以及形状变形能力的材料。其中，拉伸超材料单元在超材料和元结构设计中备受关注，因为它不仅对骨细胞反应有积极影响，还具有出色的抗压疲劳性能，在混合元植入物设计中也能改善骨 - 植入物界面。然而，现有的超材料设计技术存在诸多局限，比如结构微架构的连接点会像铰链一样，导致应变分布不均匀和应力集中，这会促进裂纹过早产生和扩展，降低材料的机械性能，使其过早失效。如何在解决这些设计问题的同时，保持并拓展材料的弹性性能范围，成为了材料科学领域的一大挑战。
为了攻克这一难题，来自多个国外研究机构的研究人员展开了深入研究。他们从大自然中汲取灵感，将目光投向了生物体的承重组织，比如骨头。骨头经过数百万年的进化，具备了轻质、高机械性能和特殊性能（如负或零泊松比）的完美结合，这得益于其层次化的微架构特征以及软硬相（如胶原蛋白和羟基磷灰石）的巧妙组合。骨头还会通过重塑过程，优化自身对机械载荷的反应。研究人员受到骨重塑过程的启发，希望通过模仿这一过程来优化机械超材料的设计。
研究人员提出了一种分层设计方法，利用基于体素的多材料 3D 打印技术，根据受骨启发的重塑算法在体素层面合理定位软相和硬相，该算法基于维持应变能密度（SED）的稳态。研究得出了一系列重要结论：首先，这种方法引入了一个介于单元细胞和体素尺度之间的中间长度尺度，产生了独特的设计特征，使得可实现的弹性性能范围显著扩大；其次，它能使应变能分布更加均匀，有效减弱了导致裂纹萌生和扩展的应力峰值；再者，优化后的超材料在机械性能上有显著提升，相比初始设计，强度最高可提高 78%。这些成果表明，该仿生设计方法能够显著改善机械超材料的性能，为设计具有特殊弹性性能和高机械性能的应力适应性多尺度机械超材料提供了新的思路，这一研究成果发表在《Applied Materials Today》上。
在研究中，研究人员用到了几个主要关键的技术方法。一是设计了两种通用单元细胞（重入型和常规蜂窝型），利用 MATLAB 脚本生成其体素形式，并通过 3D Stucki 抖动技术获得不同硬相体积比的单元细胞。二是运用数值模拟，将设计集成到商业非线性有限元方法（FEM）软件中，模拟拉伸测试并提取相关数据。三是通过骨模仿计算模型，根据 SED 对体素进行材料转换，优化软硬体素分布。四是使用 PolyJet 多材料 3D 打印机制造验证样本，并对样本进行机械测试和全场应变测量。
下面来看具体的研究结果：
- 重塑过程的性能：对初始单元细胞设计进行重塑，产生了多种单元细胞，提供了更广泛的设计空间。重塑过程中出现了中间长度尺度的几何特征，这些特征与加载方向相关，影响着材料的弹性性能，使可实现的弹性性能范围显著扩大。同时，重塑算法促进了软硬体素的协同排列，改善了单元细胞的机械响应，使应变能分布更加均匀，减少了应力集中。
- 实验验证：实验结果表明，经过重塑的设计比初始设计和对照样本具有更高的刚度和极限拉伸应力，弹性模量也有显著提高。有限元模型能够准确预测样本的机械性能，模拟结果与实验测量的应变分布相符，进一步证实了骨模仿设计算法的成功。此外，研究还发现优化方向会影响晶格结构的韧性和弹性，不同方向的优化对材料性能的影响存在差异。
- 设计方法的扩展：将设计方法扩展到其他单元细胞几何形状（如四面体反螺旋和六边形二维等效结构），发现也能观察到类似的特征，如应变集中峰值的减少和 SED 场的均匀化，这表明该设计方法对不同的晶格配置都有效。
- 使用其他理论模型：应用更复杂的骨重塑算法进行分析，结果与原始算法相似，进一步验证了最初探索的简化算法原则的有效性，说明可以将其扩展以适应更高级算法带来的复杂性。
- 元植入物设计的潜在应用：该设计方法在骨科医疗设备设计中有潜在应用，通过合理组合拉伸和非拉伸单元细胞，可优化骨 - 植入物界面连接。利用基于体素的方法还能进一步调整植入物的局部机械性能，提高骨整合效果，确保植入物的结构完整性。
研究结论和讨论部分强调了该研究的重要意义。通过模仿骨重塑过程，研究人员成功引入了一种算法，优化了机械超材料的设计，提高了其机械性能和应力适应性。这种方法可以根据特定加载方向和材料预算创建高效结构。实验验证了计算模型的准确性，为进一步研究提供了基础。该研究成果可应用于医学、软机器人等多个高附加值行业，为相关领域的发展提供了新的方向和方法。同时，研究人员也指出，虽然目前基于体素的打印技术存在一定限制，但随着技术的发展，该方法有望应用于更广泛的领域，为材料设计带来更多创新和突破。
