等容手性可重构超材料的多轴响应重编程

《Advanced Functional Materials》：Bistable Isochoric Chiral Metamaterials with Reprogrammable Multiaxial Responses

　　

可重构材料能够在制造后调节力学性能，然而现有概念大多局限于单轴响应。工程材料通常承受多方向加载，但其沿这些方向的力学响应无法原位调控。本研究引入一类由等容旋转双稳态单元构建的手性超材料，可在多轴加载状态下实现可重构行为。通过整合理论、仿真与实验，研究人员证明该双稳态单元可在顺时针或逆时针扭矩作用下于开放态与闭合态之间可逆切换，从而实现软硬响应之间的等容切换，且无需改变周围架构的几何构型。通过选择性激活特定双稳态核心，该超材料表现出可重构的突跳失稳特性，能够原位改变整体屈曲模式与能量耗散路径。在多轴加载下，包括有效体积模量（effective bulk modulus）和体积不稳定性在内的一组体积主导属性可实现重编程，从而在材料内部编码可擦写、可重写的二维突跳序列，形成复杂的力学记忆。除性能调控外，本工作提出了一种可扩展的可重构框架，可推广至Cosserat介质，以实现软体机器人、流体装置及力学智能系统中的多轴多功能性。

研究背景与问题

传统可重构超材料大多依赖原位可重构的构筑单元在不同稳定状态间切换，从而实现力学性能的后制造调控。然而，现有的可重构力学性能主要局限于单轴响应，如刚度调制和突跳失稳。在实际应用中，材料往往承受双轴或三轴应力状态，其抵抗体积变化的能力通常由体积模量和体积不稳定性等参数表征。此外，准确的失效预测需要考虑多轴加载条件，因为真实材料的失效是多方向应力联合作用的结果。现有可重构超材料主要依赖轴向驱动力触发局部状态转变，这种驱动方式将状态切换与构筑单元尺寸变化耦合在一起，属于非等容转变，破坏了体积守恒。这导致不同编程状态的构筑单元占据不同尺寸的外包络，无法在同一空间域内共存而不引发内应力或运动学不匹配，严重阻碍了多轴可重构性的实现。

研究内容与意义

为解决上述问题，研究人员利用微极弹性理论，通过原位旋转双稳态架构实现等容重构，使构筑单元的内部状态在不改变外部包络尺寸的前提下进行切换。这种维度不变性允许不同的编程状态在同一域内共存，直接实现了多轴可重构性。研究引入两种互补架构：可通过顺时针或逆时针扭矩激活/停用的旋转双稳态单元，以及具有四重对称性的多稳态架构。通过理论分析、有限元仿真和实验验证，研究人员展示了旋转单元通过状态转变产生可重构的内接触，而四重架构则支持可编程的体积不稳定性。将旋转架构作为可重构核心嵌入体积响应的外部结构中，形成了具有可调多轴响应的双稳态构筑单元。实验结果表明，核心诱导的等容重构可以调制内部约束，从而原位改变体积不稳定性从多稳态到单稳态的突跳行为。通过选择性激活手性双稳态核心，超材料实现了失稳和体积模量的连续调谐，解锁了不同的全局屈曲模式、不同的稳定体积应变以及协调的二维变形序列，适用于多模态软体机器人、流体系统和力学智能材料。

关键技术方法

研究人员采用激光切割技术，以尼龙泡沫板材为原料制备所有超材料原型和测试样品。通过伺服电机和旋转扭矩传感器进行准静态扭转测试，测量扭矩-角度曲线。压缩测试使用电动力学试验机，在位移控制模式下以1 mm/min的加载速率进行，配备两个不同量程的力传感器。用于扭转和压缩测试的夹具均通过熔融沉积成型技术制造。

研究结果

2 手性等容可重构架构

研究人员展示了一个由可变形三角形元件和非变形部件组成的等容可重构内部结构。通过理论弹簧-杆件类比模型，揭示了旋转双稳态的力学机制，并由两个无量纲参数——倾角（表征几何不兼容程度）和刚度比（表征杆-弹簧组件的旋转约束）共同控制。参数研究表明，增大任一参数均可促进进入双稳态突跳行为并提高能量势垒。进一步分析了两个倾角对旋转突跳失稳的影响，确定了单稳态、接触前双稳态和接触后双稳态三种不同响应区域。实验和数值模拟均验证了旋转双稳态的存在，并证实状态切换是等容的：两个稳定状态之间的外包络半径变化极小，由外侧环维持体积不变性。

3 双轴响应外部结构

研究人员将四个相同的线性驱动双稳态单元配置成支持双轴加载的外部模块。在等双轴压缩下，由于四重对称性和组成机制的双稳态特性，外部模块经历体积突跳，表现为沿两个加载方向均匀收缩。实验发现，由于制造缺陷和摩擦作用打破了理想对称性，实际呈现出三个不同稳定状态的顺序体积失稳。通过改变倾角参数，可以独立调控体积响应：增大α₁会提高压缩刚度、增加触发突跳所需的峰值压力以及增大第二和第三稳定状态下的体积变化；而α₂主要控制突跳失稳被触发的体积应变水平。

4 等容可重构构筑单元

研究人员将手性双稳态内部结构与多轴响应外部结构集成为等容构筑单元。顺时针旋转中心方盘可使构筑单元从开放态转变为闭合态，同时保持外包络尺寸不变。在双轴压缩下，开放态构筑单元呈现多稳态体积突跳，具有三个不同稳定状态；而激活后的闭合态构筑单元则表现出单稳态突跳，卸载后无体积塌缩。在单轴压缩下，开放态试样经历四个中等程度的突跳事件，最终达到泊松比为-1的均匀体积收缩；闭合态试样则呈现单调响应，压缩引起内部扭转而非整体收缩，展现出准零泊松比行为。

5 通过选择性激活构筑单元实现超材料可重构性：单轴响应

研究人员将四个构筑单元拼装成2×2方形手性超材料。通过选择性激活双稳态核心，实现了七种不同编程配置。完全未激活的“0000”构型呈现顺序突跳失稳，伴随八个三角对的塌缩，整体屈曲方向为0°。“0010”和“0101”构型分别产生+45°和-45°的剪切带取向。“0110”构型最大程度抑制了三角对塌缩，仅有三对塌缩，力响应近乎单调。随着激活单元数量增加，能量耗散比例逐渐降低，因为局部突跳失稳被逐步抑制。此外，通过激活左侧或右侧的单元，可以实现压力传递路径的原位重编程，使机械开关按预定顺序点亮LED指示灯。

6 通过选择性激活构筑单元实现超材料可重构性：双轴响应

研究人员考察了5×5超材料试样在等双轴压缩下的响应。未激活构型具有最软的初始体积模量和顺序突跳失稳，最终达到最大收缩距离。完全激活构型具有最大的初始体积模量和单一的单稳态突跳失稳，由于面内刚度大幅增加，试样呈现穹顶状的面外屈曲变形。十字形激活和边界激活等不同激活模式产生了不同的体积模量、突跳特征和最终变形图案。更重要的是，通过将36个三角对分组为10个正交层，研究人员实现了可重构的二维突跳序列，将力学记忆编码为2×5二进制矩阵。选择性激活可以重塑刚度景观，从而重新编程突跳事件的顺序、位置和阈值，实现比一维序列更丰富的信息存储和处理能力。

总结讨论

研究结论部分翻译如下：研究人员引入了一类具有多轴响应能力的等容手性可重构超材料。通过理论分析、数值模拟和实验验证的结合，证明了构筑单元的基于体积的多轴属性（如体积不稳定性）可以通过等容重构按需改变。进一步揭示，这种多轴可重构性由一个嵌入式旋转双稳态内部结构及其可重构内接触所控制。通过选择性激活可重构内部结构，拼装而成的手性超材料提供了可重构的突跳失稳、全局变形模式、能量耗散和压力传递功能。该手性超材料将单轴和多轴力学可重构性统一在单一材料架构中，克服了现有可重构系统通常局限于单轴加载场景的限制。多轴可重构性为工程体积不稳定性和体积模量提供了有力策略，可用于流体和水压系统中的压力缓冲、浪涌保护和流动稳定等自适应静水压功能。此外，可重构的二维突跳序列和变形模式建立了力学具身记忆用于信息加密，同时实现了对力学失稳起始位置、传播方向和演化过程的编程控制。这些功能为具有可重构、多功能响应的力学智能材料奠定了基础，并为未来利用局部双稳态等容重构的Cosserat架构提供了初步路径。