易有太极，是生两仪，两仪生四象，四象生八卦。太极的结构充满着古人的哲学智慧，如果把它用到材料设计上，会有何种性能呢？具有可调弹性特性的材料为智能机器、机器人、飞机和其他系统提供了巨大的可能性。例如，具有可变刚度的机器人系统可以适应抓取和跳跃等任务，或在多变的环境中保持最佳性能。然而，即使引起相变，传统材料的弹性特性也几乎无法调节。机械超材料是一种人造结构材料，具有超越经典材料的特性。大多数现有的超材料将具有固定或铰接节点的特定拓扑结构中的单功能承重基本结构（如杆、梁或板）集成在一起。可重构超材料为性能的急剧变化开辟了可能性。当受到应力、热或电磁场的刺激时，这些超材料中的重构是由新接触、屈曲或旋转铰链的形成引起的。尽管在可重构超材料中是可行的，但现有设计中的连续可调性受到结构不稳定、鲁棒性弱、塑性失效和响应缓慢等问题的困扰。将装有齿轮的杆组装成特殊的晶格可以在保留可旋转节点的同时提高稳定性，但设计具有连续可调弹性，特别是在使用中具有快速原位可调性的实用且坚固的超材料仍然是一项重大挑战。1）首先，可通过组装具有内置刚度梯度的元件来实现可调性。3）实现可调但坚固的固体需要确保在大作用力下的可调性和稳健的可控性，同时避免调节中的塑性变形。鉴于此，国防科技大学方鑫、温激鸿和卡尔斯鲁厄理工学院Peter Gumbsch等人报告了一种超材料设计范例，该范例使用具有编码刚度梯度的齿轮作为组成元素，并组织齿轮组以实现多种功能。该设计可实现连续可调的弹性特性，同时保持稳定性和强大的机动性，即使在重负载下也是如此。
所提出的设计概念是非常通用的，因为存在许多用于齿轮装配的架构。异乎寻常的功能和灵活的可调性可以从齿轮类型的多样性、内置可变性和集群组织中产生。作者创建了几个具有不同齿轮组的超材料原型来证明这一点。第一个原型是使用紧密耦合的周期性齿轮和两个格子框架（前部和后部）创建的，以将齿轮排列成简单的二次模式。平面齿轮包含空心截面。外部形成两个弹性臂，其径向厚度随旋转角θ平滑变化。受到压缩载荷的影响，臂的变形主要是弯曲。可调性取决于内置空心截面的形状。在多种选择中，受中国太极图启发的形状，以螺旋方向为特征，可以提供平滑的变化和极性。两个局部坐标之间的角度差为β。任何两个啮合齿轮的自旋方向都是相反的。此外，正反两面的太极图案的螺旋方向相反。因此，一对齿轮的啮合方式有两个极性。作者还证明了基于齿轮的集成超材料可以通过3D打印直接制造，即使是在微尺度上也是如此。使用这种集成设计策略，基于齿轮的超材料可以通过适当的高分辨率大型 3D 打印设备扩大齿轮的尺寸和数量。这种集成超材料的调制可以通过分布式驱动器或马达来实现。显然，上述第一种超材料仅在压缩载荷下是可调的。除此之外，人们还可以针对强超材料，其压缩和拉伸模量都是可调的，同时保持结构完整性。这可以通过将行星齿轮系统组织为超隔室来实现。在此示例中，超隔室包含六个齿轮：一个内齿环齿轮、一个中心太阳轮和两对行星齿轮 A1-A2 和 B1-B2。齿轮中心A1–O–A2（和 B1–O–B2）是共线的。使用这个齿轮组，研究人员创建了一种分层且强大的超材料，其可调性来自超隔室内齿轮的相对旋转。对于组装的超材料，所有的太阳齿轮都通过轴连接到传动齿轮，并且这些传动齿轮是紧密耦合的。因此，可以通过旋转传动齿轮来实现所有超隔室图案的稳健重构。有趣的是，图2a中的超材料（具有非常软框架的离散齿轮晶格）在压缩应力下保持稳定，并显示出较大的剪切刚度。支撑观察到的稳定性的因素之一来自啮合齿在不同点的不均匀载荷，这导致弯曲变形，将齿紧紧地夹在一起。剪切力引起齿轮的旋转和行星旋转。对于一对齿轮，行星的相对旋转导致剪切阻力为零，处于高度不稳定状态。然而，在一组四个齿轮中，剪切应力 τ 通过相邻齿轮的相反旋转引起行星旋转的相互锁定，这被称为剪切互锁。基于齿轮的超材料的可编程性不仅限于弹性常数。在图 2 中每隔一排的超材料中，每隔一档就可以释放剪切互锁，产生 Gg=0 的状态，有效剪切模量仅由低刚度框架决定，超材料可以被认为是超软物质。消失的剪切模量使复杂的变形模式成为可能，有利于形状变形。传统机器通常依赖于具有恒定刚度的材料，因此本身具有恒定的刚度。设计刚度是稳定性、安全性、效率和性能之间的折衷，因此阻碍了在可变环境中追求最佳性能和效率。具有可调弹性特性的可编程材料，包括主动机械超材料，在智能机器和系统中备受期待。通过与文献中典型材料设计进行比较，基于齿轮的超材料可以提供快速响应和所需的宽范围、连续和原位刚度可调性。作者还提出了基于齿轮的超材料的广泛应用潜力。例如，对于机器人，可调节刚度的腿/致动器可以提供高刚度以在行走时稳定支撑重载低刚度，可在跳跃或跑步时提供防震保护。航空发动机挂架系统需要类似的可调刚度隔离器，以在不同飞行阶段保持最佳性能和效率。此外，基于快速响应齿轮的超材料可能会产生敏感的可变刚度皮肤，这已引起广泛关注。此外，具有可调刚度的谐振器是用于波操纵的可编程超材料中的关键组件。因此，基于齿轮的可编程超材料可以帮助实现广泛的智能机器。与传统方法相比，基于齿轮的超材料实现的可编程性不需要大变形和重型控制系统，例如液压/气动或磁系统，因此有利于机器的小型化和集成化，甚至可以在恶劣环境（如外太空）中使用。综上所述，这项工作通过可变但强耦合和齿轮的内置可变性，提出并展示了一种非常规的可编程动态超材料设计范式。作者建立了通用概念，构思原型，进行机械分析，展示了宏观和微观尺度的灵活可调性和集成制造，并展示了广泛的潜在应用。所提出的设计范式拓宽了设计完全可编程材料的视野，从而为他们探索实际应用提供了动力。Fang, X., Wen, J., Cheng, L. et al. Programmable gear-based mechanical metamaterials. Nat. Mater. (2022).https://doi.org/10.1038/s41563-022-01269-3
