五模超材料是一种具有流体特征的周期性微结构，因其优越的水声调控能力，受到了广泛关注。二维五模超材料大多数着眼于传统蜂巢晶格，相比三维五模超材料，更容易进行各向异性模量和声阻抗的适配，研究较为充分。与之相比，三维五模式超材料的探索只限于 Milton等人提出的传统金刚石晶格以及纺锤体单胞设计，缺少其他类型单胞及不同晶格组合的设计，更没有可重构的设计，限制了其水声调控功能开发和应用场景适应性。

        为解决上述问题，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，提出了一种基于截角八面体的三维五模超材料设计，可以在传统截角八面体和变构型截角八面体构型之间转换，分别表现为各向同性和各向异性的五模特征。

        首先，研究人员探索了一系列可以在三维空间中密铺排布的正多面体，发现正截角八面体的杆系结构能够承受静水压的载荷，如图1所示，并且通过单元的单轴拉伸或压缩的变形，能够完成各向同性五模到各向异性五模的转换，如图2。Q来表示各向异性程度，当Q为1时，表示其为各向同性五模。

图1 基于截角八面体的三维五模超材料杆系结构设计

图2 变构型五模超材料的各向异性程度Q随角度参数β的变化

        通过计算发现，截角八面体杆系结构的单胞拥有30个运动自由度，这给变构型过程带来了极大的困难。因此，研究人员引入了模块化折纸的构建方法，在每个节点处布置两个相互垂直的转动副，进而得到了图3所示单胞的机构设计和模块化折纸超材料的设计。模块化折纸单胞与杆系结构相比，自由度从30下降到12，后续的分析表明，能够满足构型转换的要求。

图3 变构型五模超材料的机构设计和模块化折纸构型

        构型转换的步骤如图4所示：首先安装夹具，将模型固定为目标构型，接着进行热处理消除内应力，由于选用热塑性材料TPU，在冷却后拆除夹具，模型就保持在目标构型。研究人员通过计算n×n×n阵列在安装夹具后的自由度，发现对包含任意个单胞的超材料结构，都能使用这种方法完成由初始构型到目标构型的重构。

图4 变构型五模超材料的构型转换过程

        研究人员使用3D打印的方法制造了2x2x2的实验样品，如图5所示，除正截角八面体构型外，在压缩构型和拉伸构型下各选取了两个典型构型，测试了其三个方向的杨氏模量、剪切模量和泊松比，从而判断结构的五模特征和各向异性特征。测试结果表明，不同构型均表现为五模，并且各向异性程度随压缩和拉伸程度不同，存在三个数量级以上的大跨度可调谐范围。

图5 具有不同各向异性程度的典型构型

        利用所提出的可调各向异性的五模超材料设计，研究人员实现了等效声阻抗和波速的调控，进而展示了控制水声透射幅值和相位的功能，如图6所示。

图6 可调压力波传输功能

        该成果于2023年9月9日在线发表于Materials & Design期刊，所提出的新型三维可调各向异性变构型五模超材料，为水声波导器件的研制提供了新的思路。

Wei Z#, Hu Z#, Zhu R*, Chen Y*, Hu G. A transformable anisotropic 3D penta-mode metamaterial. Materials & Design, 2023, 234, 112306.
(https://doi.org/10.1016/j.matdes.2023.112306)