学术前沿 | 具有可调多稳定机械性能的3D负泊松比超材料

在本研究中，我们设计并实验演示了基于双稳负泊松比块（BABs）的可编程超材料。对单个BAB的机械分析进行了研究，并通过有限元分析（FEA）模拟和实验验证。机械预测、FEA模拟和实验测量结果的高度一致性证明了BAB可以进行定量设计。我们探讨了实现双稳态和单稳态的关键设计参数——特别是铰链的几何形状。通过改变铰链的长度和厚度，可以有效地调节能量壁垒和双稳性。基于这些知识，我们设计了一个可编程的BAB链序列，展现了有序和无序的翻转序列。通过这些设计的BABs组装的可编程超材料，经过实验验证，展示了各向异性的机械行为。与之前研究的通常具有单一固定机械响应的超材料相比，我们的BAB超材料集成了多种独特的机械特性，包括双稳性、负泊松比行为和各向同性。通过利用这些特性，组装的超材料在不同方向上实现了刚度的变化，具有在能量吸收和引导变形序列方面的潜在应用。

尽管基于BAB的可编程超材料展示了显著的潜力，但仍有一些挑战需要解决，以促进其更广泛的应用。一个关键挑战是如何精确控制在不同环境条件下的双稳性，比如温度或湿度，这些因素可能会影响材料性能和机械表现。此外，尽管当前的设计允许调节刚度和变形序列，但仍需要进一步研究以增强这些超材料的能量吸收能力，特别是在高冲击场景下。未来的工作应聚焦于集成智能材料，如形状记忆聚合物，以实现材料对环境变化的自主适应。此外，优化制造工艺以便将这些超材料规模化应用于航空航天、机器人和生物医学工程等领域将至关重要。为了探索双稳态和负泊松比结构的不同组合如何应用于特定功能任务，如控制形变或能量收集，未来还需要采用先进的建模技术和实验研究。