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原创丨米测MeLab

编辑丨风云

研究背景

机械超材料表现出许多有趣的特性，例如低密度时的高刚度、增强的能量吸收、形状变形、连续变形、辅助性和稳健的波导等。到目前为止，超材料设计主要依赖于几何形状。

关键问题

然而，超材料的设计主要存在以下问题：

1、塑性材料的非线性设计未被充分利用

尽管塑性是大多数固体材料普遍存在的非线性特性，但在超材料设计中，塑性尚未被作为屈曲行为设计原理的组成部分来探索。目前的研究主要集中于几何控制功能和利用屈曲的机械不稳定性，而塑性变形通常只被用于实现能量耗散或永久形状变化，并没有被纳入设计原理。

2、塑性目前普遍被认为对超材料功能存在负面影响

目前，塑性被认为可能对超材料的功能有害，这可能是因为塑性变形可能导致不可逆的形状变化，从而影响超材料的预期性能。因此，需要进一步探索如何在设计中有效利用塑性，同时避免其潜在的负面影响。

新思路

有鉴于此，阿姆斯特丹大学Corentin Coulais等人发现塑性和屈曲不稳定性之间的微妙平衡，称之为“屈服屈曲”。作者利用屈服屈曲来设计超材料，这些超材料可以按任意大步骤顺序屈曲，同时保持承载能力。利用顺序屈服屈曲来创建结合了刚度和耗散（两个通常不相容的特性）并且可以多次使用的超材料。因此，所获得的超材料表现出卓越的减震性能。该发现为超材料工具箱增加了可塑性，使机械超材料成为一项具有大规模生产巨大潜力的新兴技术。

技术方案：

1、提出并展示了屈服屈曲在超材料设计中的关键作用

作者揭示了正方形晶胞在弹塑性韧带连接下的屈服屈曲现象，关键在于实现晶胞自接触前的连续屈曲步骤，对形状变形和机械计算等领域具有应用潜力。

2、通过屈服屈曲开发了新型超材料结构

作者开发了一种新型超材料结构，通过屈服屈曲和稳定韧带实现局部屈曲和能量耗散，避免了整体屈曲，为创造高刚度和强度的材料提供了新方法。    

3、实验演示了理想减震器

作者3D打印了一种超材料圆柱体，通过屈服屈曲实现了可调减震性能，具有多次使用的能力，优于传统减震结构。

4、将屈服屈曲的概念扩展到二维和三维超材料设计中

作者将屈服屈曲扩展至二维和三维超材料，实现了多方向顺序屈曲和能量耗散，为设计高刚度和强度的材料提供了新方法。

5、比较了屈服屈曲超材料与其他减震超材料的机械性能

作者证实了屈服屈曲超材料在减震性能上超越现有材料，具有可重复使用性，且易于制造，有广泛的应用前景。

技术优势：

1、利用屈曲和塑性之间的相互作用进行了超材料设计

作者提出了“屈服屈曲”这一新概念，这是一种塑性和屈曲不稳定性之间的平衡状态。利用这一原理设计的超材料，能够实现任意大的顺序屈曲步骤，同时保持承载能力。

2、通过结合刚度和耗散特性，获得了具有卓越减震性能的超材料

通过顺序屈服屈曲，作者设计了一种新型超材料，不仅结合了通常不相容的刚度和耗散特性，而且可以多次使用。这种超材料展现出卓越的减震性能，这一发现不仅提升了超材料性能，还为超材料的大规模生产和应用提供了巨大的潜力。

技术细节

提出了屈服屈曲的概念

作者探究了弹塑性韧带连接的正方形晶胞在压缩下的屈曲行为，发现三种状态：弹性屈曲、塑性屈曲和屈服屈曲。弹性屈曲发生在晶胞长宽比或屈服应力较大时，塑性屈曲则在长宽比或模量比较大时出现。最引人关注的是屈服屈曲，它在长宽比和材料的塑性达到微妙平衡时发生，导致屈曲时载荷急剧下降。这种载荷减少确保了载荷始终保持在初始屈曲载荷以下，直至晶胞自接触，对于实现连续屈曲步骤至关重要。通过改变参数进行数值模拟，验证了屈服屈曲的理论预测，并展示了屈服屈曲在实现有序屈曲超材料中的关键作用，这在形状变形、机械计算、波浪控制等领域具有潜在应用。    

图  屈服屈曲

超材料中的屈服屈曲

作者将屈服屈曲概念与结构稳定的超材料结合，开发了一种能防止整体剪切屈曲并展现多个局部屈曲模式的超材料几何结构，实现了有限的力下降。该结构包含额外的稳定韧带，这些韧带延迟了屈曲并限制了载荷减小，使得屈服屈曲状态下屈曲和接触诱导硬化能有序发生。在弹性屈曲和塑性屈曲状态下，观察到不同的屈曲行为，而在屈服屈曲状态下，实现了两步顺序屈曲。屈服屈曲还防止了不必要的整体屈曲模式，允许对任意数量的步骤进行稳健的连续线模式屈曲，为开发具有高刚度、强度和能量耗散的超材料提供了新途径。    

图  具有线模式的超材料中的屈服屈曲

理想减震器

作者将具有六种线模式的二维超材料制成圆柱体，使用3D打印的316L不锈钢材料，展示了其在单轴压缩下的屈服屈曲行为。超圆柱体在压缩过程中表现出高刚度，随后各层依次屈曲并接触，形成波动的平台，展现了承载能力和能量耗散的结合。该结构在不同条件下都表现出稳健的多步连续行为，且可通过调整韧带厚度来调节机械性能。与标准减震结构相比，超圆柱体在静态和动态测试中均能更均匀地吸收能量。此外，该结构可多次使用，保持初始性能，与一次性的碰撞罐相比，展示了其在减震方面的可调性、坚固性和高效性。    

图  理想减震器的实验演示

超材料设计扩展

作者已经将屈服屈曲的概念扩展到二维和三维超材料设计中。在二维层面，通过修改设计，实现了沿两个方向的顺序屈曲，产生了具有多个振荡的波浪形力-位移曲线平台。这种策略同样可以扩展到三维，其中包含三个正交层模式。通过实验，如将12层梁结构旋转成圆柱形的metacrashcan，作者证明了在压缩下，结构可以依次折叠12步，直到达到较大的压缩冲程，同时保持均匀的能量耗散。此外，通过调整壁厚，可以在更大的冲程中实现更均匀的耗散，而不会显著增加超材料的相对密度。屈服屈曲的稳健性和可调性为创造具有高刚度、强度和能量耗散的超材料提供了新的可能性。    

图  大压缩行程双向连续屈服屈曲

机械性能

作者开发的屈服屈曲超材料在机械性能上具有显著优势。通过Ashby图表比较，这些超材料在相对刚度、能量吸收和平台强度等指标上，优于其他可重复使用的减震超材料，如液态金属晶格和弹跳超材料，甚至可与传统减震器如蜂窝晶格和金属泡沫相媲美。此外，屈服屈曲超材料的性能可与纳米结构和金属微晶格相比，但具有连续性，可多次使用而保持初始性能，且易于通过不同结构、材料、规模和制造方法生产 。

图  机械性能

展望

总之，本工作证明了屈服屈曲与合适的超材料结构相结合是实现顺序屈曲和创建理想减震器的关键工具。理想减震器可以以更小的体积吸收更多的冲击能量，可由任何弹塑性材料制成，可多次使用，可推广到多个方向的冲击，可扩展到各种超材料结构，以适应大范围的冲击行程，并且可以批量生产。因此，理想减震器可以应用于各种应用，从米级的汽车和航空航天到微米级的显微镜和纳米光刻。除了减震范围之外，预计屈服屈曲可以在软机器人和机械自组装以及材料学习的形状变形超材料背景下产生独特的响应。  

参考文献：

Liu, W., Janbaz, S., Dykstra, D. et al. Harnessing plasticity in sequential metamaterials for ideal shock absorption. Nature (2024).

https://doi.org/10.1038/s41586-024-08037-0