仿生异质超材料的功能设计框架：实现机械隐身与应力调控的创新方法

针对异质机械超材料在多功能实现方面的研究不足，研究人员提出了一种受自然启发的多材料不规则设计框架。通过优化有限单元细胞的空间分布，成功构建了具有机械隐身、防护和场控特性的超材料，为功能超材料的高效设计提供了新思路。

　　

自然界中的材料往往具有不规则和多材料特性，赋予其卓越的机械应力调节和抗冲击保护等功能。然而，异质机械超材料在多样化场景中的功能实现研究仍不充分。针对这一挑战，上海交通大学（根据通讯作者Sha Yin的国内机构惯例翻译）的研究团队提出了一种创新的设计框架，将自然材料的不规则性和多材料特性相结合，为异质机械超材料的功能设计提供了统一解决方案。相关研究成果发表在《Materials》上。

研究人员采用能量均匀化方法和遗传算法优化技术，构建了包含152种单元细胞的数据库，涵盖两种不同杨氏模量的母材（3380 MPa和320 MPa）。通过有限元分析和数字图像相关（DIC）技术，验证了设计框架的有效性。3D打印制备的样品在Zwick/Roell Z020试验机上进行了压缩测试。

研究结果显示：

1. 机械隐身性能：优化后的超材料在位移边界条件下，将位移场畸变从15.9%降至1.87%。实验测量结果与模拟吻合良好，畸变参数从11.21%降至3.42%。
2. 多功能实现：

• 面部表情控制：通过位移场调控实现了"微笑"和"愤怒"的表情转换
• 机械防护：关键图案空腔边缘位移降低至原始值的0.0181%
• 形状控制：将矩形空腔转变为"翼状"形态

1. 应力屏障：

• 在压力边界条件下，保护区域等效应力σ_e从100%降至16.12%
• 随着设计区域扩大，应力可趋近于零

该研究建立了异质机械超材料的通用设计框架，通过多材料不规则特性实现了包括机械隐身、应力防护等多重功能。创新性地提出基于莫尔圆参数的等效应力优化方法，为功能超材料设计提供了新思路。研究证实，扩大设计区域可创建完全不受外界应力影响的保护区域，这对精密仪器防护、生物医学植入物等应用具有重要意义。