仿生层状材料的逆向设计实现极端非线性力学响应编程

为解决传统单层材料难以实现多级 snap buckling（快速屈曲）和 plateau（平台应力）响应的问题，研究人员通过仿生层状结构逆向设计，开发出可编程极端非线性力学响应的 architected materials（架构材料）。该研究利用拓扑优化同步调控局部微结构与层间互连，实验验证了其在能量耗散、可穿戴设备及信息加密等领域的应用潜力，为智能材料设计开辟了新范式。

　　

自然界中如珍珠母（nacre）等生物材料通过多层微结构的协同作用展现出超越单层材料的力学性能。受此启发，科学家们开始探索如何通过人工架构材料实现类似的多级非线性力学响应。当前，单层平面架构材料虽能编程部分非线性应力-应变关系，但多级 snap buckling（快速屈曲）和 plateau（平台应力）响应仍难以实现，这严重限制了材料在能量吸收、可穿戴医疗设备和信息存储等领域的应用潜力。

针对这一挑战，研究人员开发了一种创新的逆向设计框架。该框架通过拓扑优化（topology optimization）同步调控每层软材料的局部微结构分布和层间刚性销钉（rigid pins）的互连方式，从而实现了复杂的层间协同作用。与单层设计或晶格结构相比，这种多层设计显著扩展了设计空间，同时避免了全三维设计的高计算成本。研究采用混合有限元分析（hybrid FEA）结合 2D 和 3D 单元模拟材料响应，并通过混合制造技术（3D 打印模具铸造软材料）制备了厘米级原型。

Architecting snap buckling responses
研究首先设计了具有 N×1 和 N×N 阵列的层状材料。通过优化红蓝层（分别代表中、外层）与刚性销钉的分布，实现了精确控制的多级 snap buckling 响应。实验显示，3×1 阵列原型在拉伸时呈现顺序 snap-back 现象（图 2E），而 3×3 阵列因双向周期性约束表现出双稳态（bistability）特性（图 3B）。这些材料在膝关节可穿戴设备中展示了能量耗散和触觉反馈功能（图 2F）。

Architecting single and multistage plateau responses
通过两种策略编程平台响应：直接优化双平台目标单元（图 4D）或串联不同单平台单元（图 4E）。实验验证了 3×3 阵列在 0.08-0.35 应变范围内的稳定 plateau 行为（图 4B），10×10 阵列模拟显示更接近目标响应。该特性适用于汽车防撞结构的多级能量吸收。

Encoding information using architected dual-axis snapping
通过对称设计实现双轴加载下的同步 snap 响应（图 5B）。在 3×3 阵列中，通过扰动单元尺寸控制 snap 序列，成功编码字母“I”和“D”信息（图 5D）。这一原理可扩展至高分辨率像素化信息存储。

讨论与意义
该研究提出的仿生层状架构材料突破了单层材料的非线性响应极限。其核心创新在于通过逆向设计揭示的层间协同机制，例如外层（蓝）通过刚性销钉约束中层（红）触发 snap buckling。研究还发现，重力或制造误差会导致多级 snap 异步现象，这反而为信息编码提供了新思路（图 5）。

在应用转化方面，研究指出毫米级制造需改进模具精度（如采用立体光刻 3D 打印），而材料耐久性可通过增强硅胶（如 Elastosil-M₄₆₃₀）和表面粘接处理提升。未来，结合制造容差优化（^52,53）和大规模简化模型（如弹簧系统）有望推动该技术走向实用。

这项发表于《SCIENCE ADVANCES》的工作，不仅为振动控制、医疗可穿戴设备等领域提供了新材料解决方案，更开创了通过力学响应加密信息的新范式，展现出架构材料在跨学科应用中的变革潜力。