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最新论文——可调模数的变构型机械超材料
From: Date: 2023-03-08 导读 机械超材料能够提供自然材料不具备的非常规特性，如负泊松比、梯度刚度、非互易响应等。另一方面，模块化折纸等柔性结构也为机械超材料带来了可重构特性和零能量变形模式。这其中，零能量变形模式最引人注目的应用当属五模式超材料，它能够用来设计声学”隐身”斗篷，其它模数的超材料也有着新颖独特的应用。然而，能够覆盖零模、一模、二模、三模、四模、五模乃至六模超材料的系统设计至今仍未被提出和实现。 近日，天津大学机械工程学院陈焱教授团队联合北京理工大学宇航学院朱睿教授团队，基于模块化折纸提出了一种具有可调模数的变构型超材料，实现了从零模式到六模式的设计空间覆盖以及构型之间的可逆转换，研究了不同维度下多模材料的可编程极化波控制功能。该成果于2023年3月7日在线发表于国际权威期刊《自然·通讯》（Nature Communications）。论文共同通讯作者为天津大学陈焱教授、北京理工大学朱睿教授，共同第一作者为北京理工大学博士生胡洲、天津大学博士生魏志波。 研究人员从平面四连杆镶嵌结构出发，通过均匀化方法，计算得到了不同方向连杆在展开和折叠状态下该结构的模数，结果表明该二维设计能够实现零模、一模、二模和三模，即二维空间的模数全覆盖。在此基础上，研究人员设计了机构自由度相互解耦的三维模块化折纸结构，实现了各个方向上超材料模数以及零能模式的独立编程以及三维零模到六模的模数全覆盖。 图1 变构型机械超材料的设计理念 使用热塑性聚氨酯3D打印模型样机，通过静力学实验，验证了多种参数配置下超材料的零能量特征。以三模构型和五模构型为例，三模构型在三个正交方向上的压缩模量与剪切模量存在两个数量级的差距；在五模构型下，仅z方向的压缩模量表现为极大，其余方向的压缩模量和剪切模量与之相比均小两个数量级。通过安装夹具约束边界并进行热处理实现构型之间的转换，该重构过程是可逆的。 图2 三维变构型机械超材料的重构和实验验证 研究人员之后对该超材料的设计空间进行了讨论，将零能模式与机构运动角度进行对应，并得出了三维情况下所有模数构型的细分设计，对零模到六模的十种典型构型的静力学特征进行了实验验证。 图3 三维机械超材料从零模到六模的构型转换示意图及其实验验证 变构型超材料的可定制弹性张量表现在弹性波控制方面则是非常规的动态性能。以零模、一模和二模为例，研究人员发现，在单传输方向上，零模超材料可以实现对横波和纵波成分的导通，一模超材料可以实现横波的导通和纵波的阻隔，而二模超材料可以实现对横波和纵波成分的阻隔。二维和三维情况下，一模和二模超材料同样具有分波和滤波的功能。得益于三维解耦设计，利用不同方向的组合，有望实现更复杂的波导和极化控制。 图4 三维机械超材料的动态实验和可编程波动功能验证 综上所述，本研究首次实现了从零模到六模的零能量模式覆盖及其可逆转换，并对典型构型的弹性波控制功能进行了探索和验证，为可编程变构型超材料在声学、光学、电磁学等多个领域的应用提供了参考。
Hu Z#, Wei Z#, Wang K, Chen Y*, Zhu R*, Huang G, Hu G. Engineering zero modes in transformable mechanical metamaterials. Nature Communications, 2023, 14(1): 1266. |
