基于双稳态手性结构的多稳态超材料设计方法（MSMDM）

《Materials Today Communications》：A multi-stable metamaterial design method (MSMDM) based on a bistable chiral structure

　　

摘要

多稳态超材料的设计主要依赖于试错策略和特定几何优化，这限制了设计空间的系统性探索。尽管已报道了多种架构，但针对平面和空间多稳态系统的生成与分类的统一方法仍不完善。本工作介绍了多稳态超材料设计方法（MSMDM），这是一种拓扑驱动的生成框架，用于系统性地发现、分类和命名多稳态结构。从基本的手性双稳态种子（$Z_B$）及其空间扩展（$Z_{3B}$）出发，该方法采用七种离散拓扑变换集来重构现有设计并生成新的多稳态系列。一项关键贡献是定义了超手性阶 $\chi$，这是一种紧凑描述符，能够跨维度一致地表征手性，并捕捉其在结构变换期间的演化。已证明 MSMDM 能够重现表现出广泛机械响应的结构，包括单稳态、中性稳定以及拉伸时收缩的反向弹跳行为。通过基于 Voronoi 的形式化定义单元胞，该框架确保了与可扩展的平面和空间铺砌的兼容性。总体而言，MSMDM 建立了一种统一的设计语言，将拓扑生成与机械优化解耦，为软体机器人、可展开系统和能量吸收等领域的应用驱动开发提供了坚实基础。

Pierre Roberjot|Jonathan B. Hopkins|Just L. Herder