Significance：机械超材料的特性是由结构而不是构成物决定的。它们提供了一个独特的平台，可以在宏观尺度上编程和操纵结构配置，从而实现难以实现的先进功能。Maxwell晶格是一类拓扑机械超材料，能提供可调节的机械性能和拓扑变换，可应用于能量吸收、冲击缓冲和波导。然而，这些拓扑变换在各个形态之间同步控制是极具挑战的。多稳态超材料可实现各种几何形态之间的快速可逆拓扑转换，从而为机械刚度调节、冲击缓冲、机械计算和神经形态计算以及柔性机器人等潜在应用提供了可能性。机械超材料已被证明具有负泊松比、负压缩性和可编程非线性等奇特的物理和机械性能。Maxwell晶格，作为一类典型的机械超材料，具有独特的表面/界面机械性能，并且带来了广泛且吸引人的应用，包括应力集中和断裂保护、声子波导、声子二极管和可调稳定性等。传统Maxwell晶格具有拓扑保护的边缘柔性模式和自应力状态，这些特性可以通过晶格的均匀无应变扭转来实现转换。拓扑极化转换可引起晶格表面刚度发生巨裂变化，这对冲击缓冲、非互易波传播等多种工程应用很有研究价值。然而，由于晶格处于临界机械稳定区域，这种转换控制在实践中极具挑战。近期，来自美国哈佛大学的陈资（Zi Chen）教授和修哈宁博士（Haning Xiu）以及来自密歇根大学（安娜堡）的毛晓明（Xiaoming Mao）教授等研究人员提出了一种新的Maxwell晶格机械超材料设计，即通过结合双稳态晶格单元来实现同步拓扑转换和结构弹性特性可编程重构性。相关研究成果以“Topological transformability and reprogrammability of multistable mechanical metamaterials”发表在《PNAS （美国国家科学院院刊）》 (PNAS 2022 Vol. 119 No. 52 e2211725119) 上，第一作者为修哈宁博士，通讯作者为陈资教授和蒋毛晓明教授。该团队首次将Maxwell晶格的拓扑力学与多稳态相结合，实现了拓扑机械超材料在不同拓扑相之间的迅速可逆变换。与传统的Maxwell晶格具有沿无应变方向连续变形的特点相比，晶格单元引入双稳态设计可为晶格变形提供了明确的稳定状态（每个单元都具有双稳态），从而可以更好地控制晶格变形（图1）。此外，这种设计为拓扑态和多稳态之间的界面形态开启了完全新而丰富的物理学研究，提供了可重新编程和反应刺激应答的应用基础，以及材料相关的多功能特性。我们提出的新型多稳态机械超材料可以通过多种可逆路径来实现拓扑变换。与此同时，机械刚度在不同拓扑状态之间展现出巨大的对比，并且该超材料能够实现可调节的机械“模量”，这是传统Maxwell晶格所缺少的特性。物理演示的极化晶格的拓扑变换和边缘刚度硬化可在附件视频中查看（应该提供视频的链接）。最后，将多稳态结构引入机械超材料是一种范式转变的设计，将释放和扩大它们在刚度调节中的应用；并促进机械计算系统、神经形态超材料、可控变形系统、柔性机器人、仿生控制和分布式智能的发展。这项工作受到了海军研究院基金(MURI N00014-20-1-2479)的资助。
图1. Maxwell晶格拓扑相变示意图及实验演示。(a)Maxwell晶格的拓扑变换。(b) Maxwell晶格软边与硬边的机械刚度对比。(c)带有辅助弹簧的双稳态晶格单元结构。(d) Maxwell晶格的极化相态向非极化相态的拓扑转变。(e) 对于给定位移的软边和硬边施加推力的对比。
