学术前沿 | 负刚度机械超材料：综述

本文深入回 顾并介绍了负刚度机械超材料（NSMMs）不断发展的研究领域及其当前应用。近年来，增材制造技术的进步推动了NSMMs的发展，使其在多个领域展现出巨大的潜力，包括能量吸收、振动与噪声缓解、可部署结构以及医疗植入物等。尽管NSMMs表现出显著的应用前景，但它们仍处于开发阶段，距离广泛商业化应用还有很长的路要走。在能量吸收领域，NSMMs面临与其他材料相比性能差距的挑战。要克服这一困难，可以通过构建策略、拓扑优化以及高性能基础材料的结合来实现。然而，作者对这些材料在缓冲和能量吸收领域的应用保持谨慎态度。虽然这些材料在某些对性能要求相对较低的应用中（如体育保护和包装）可能有效，但它们不太可能满足像车辆碰撞保护等关键领域的严格性能要求。此外，要实现这些目标，成熟的技术路径尚未建立。尽管一些新颖的机制可能使NSMMs在静态测试条件下表现出色，但它们在冲击环境中的效果仍然受到显著限制。

NSMMs在执行器领域的应用日益受到关注，显著提升了软体机器人执行效率，并解决了其发展的核心挑战。除了提高执行效率外，研究人员还应探索NSMMs在软体机器人生长和人机交互等领域的应用。目前，NSMMs在生物医学应用领域的研究仍主要处于推测阶段，尚无相应的临床试验结果。未来，聚醚醚酮等生物材料可能会融入NSMMs的设计中，并急需进行进一步的动物实验。NSMMs在形态变化结构领域的应用可能主要集中在变形飞机上。随着航空航天产业的蓬勃发展，变形飞机可以主动变形，以改善空气动力学特性、减少飞行能耗并扩展飞行包线。因此，开发能够在保持高承载能力的同时实现显著变形的NSMMs，对于推进变形飞机的演变至关重要。

在振动控制领域，NSMMs必须利用智能材料的能力，以在更广泛的频率范围内提供卓越的性能。尽管目前已有大量具备可调带隙的智能结构，然而这些智能结构的控制效率取决于智能材料或驱动系统的响应速度，而这种速度常常不能满足实际场景中对宽频带振动隔离的需求。此外，NSMMs在振动控制中的应用还必须克服与承载能力相关的挑战。因此，集成负载承载和振动隔离功能的多功能NSMMs，代表了未来研究的重要方向。

NSMMs在机械性能定制方面仍面临诸多挑战。尽管已经提出了多种策略来实现基于NSMMs的定制机械响应曲线，但整体构建过程仍相对原始，仍需人工干预以预设超材料几何形状。这远未达到可编程性和定制化的真正目标。未来，更多可行的定制机械性能的策略将对推动这些应用的发展产生实际影响。

机械逻辑门和能量存储是NSMMs的两个新兴应用方向。虽然机械逻辑门未来可能在极端环境中发挥作用，但目前它们的应用前景并不广泛且可预测性差。能量存储技术是全球关注的重点，而基于NSMMs的机械能量存储技术最近才开始有所报道。这项技术的未来发展趋势和潜力值得进一步关注。