北航潘飞、陈玉丽团队AM：自动重编程力学超材料——性能所想即所得

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2025-01-02 08:08

正文

随着人工智能的发展，多功能和自适应材料/结构的“物理智能”在具身智能体中发挥着重要作用。我们希望：未来的智能材料能够通过数字智能精确、快速地对自身的性能进行重编程，以响应人类命令或适应环境变化，就如下面：给定一个目标的应力-应变曲线，它能自己计算出最优的结构状态，然后通过内置驱动自动调节自身状态，呈现出与目标匹配的实时测量应力-应变曲线。

这就是北航潘飞副教授、陈玉丽教授团队最新提出的由内嵌“构-性关联”驱动的自动重编程力学超材料，近期刚发表在《Advanced Materials》上，并入选期刊“Editor’s Choice”，被特别推荐。

如何实现上述的自动重编程过程呢？主要需要解决两个方面的挑战：（1）在物理层面，需要解耦承载结构和调控驱动的变形以进行结构-驱动一体化设计，在不改变宏观形貌的前提下实现大的性能调节范围，大的结构变形幅度和高的调节速度；（2）在数字层面，需要准确刻画超材料大量空间异质状态的高维度结构-性能关系，并与物理结构无缝衔接、指导性能重编程。

为此，该团队（1）在物理层面，设计了一种具有丰富空间异质性的自驱动超材料。该材料由周期性排列的手性双稳态单元和内置的柔性气动人工肌肉驱动器组成。每个单元都有两种具有显著差异力学性能但保持相同宏观形状的稳定状态，可以通过人工肌肉驱动器在1秒内进行状态切换。两种状态保持独立，只能通过驱动器进行切换，不会因外载发生相互跳变。驱动器只在状态切换时工作，且不影响结构的承载特性。（2）在数字层面，通过多尺度力学理论建模、有限元分析和实验相结合的手段，建立了超材料状态序列与应力-应变曲线之间的高维关系。基于该结构-性能关系，利用优化算法搭建了根据目标应力-应变曲线确定最优状态序列的计算程序，然后将其集成到超材料的状态调节驱动系统中，实现软硬件的集成。

图1. 根据目标应力-应变曲线自动重编程的力学超材料

实验证明，对于在调节范围内的不同目标应力-应变曲线，该超材料首先利用内嵌的结构-性能关系计算出最优状态序列，然后通过内置驱动器主动调节各单元状态，最终呈现出与目标高度吻合的实时测量应力-应变曲线。整个重编程过程只需要4秒。此外，该超材料具有高度可调的拉伸、压缩、剪切和弯曲力学性能，其中拉伸和压缩模量可达到30倍以上的调节范围；与已有的文献工作相比，在调节性能类型、调节幅度、调节速度等方面具有明显的综合优势。通过精细设计，超材料的性能可以具有更多的非线性特征，例如显著的拉伸和压缩不对称等。

图2. 基于内嵌的结构-性能关系，对不同目标应力-应变曲线的自动重编程

该工作探索了物理智能和数字智能在力学超材料设计中的融合，实现了超材料力学性能快速、精确的按需自动重编程，有望用于智能飞行器、机器人等众多领域的多功能自适应物理系统。

相关成果以“On-demand Reprogrammable Mechanical Metamaterial Driven by Structure Performance Relations”为题发表于国际权威期刊Advanced Materials。

北京航空航天大学潘飞副教授、陈玉丽教授为论文的共同通讯作者。论文第一作者是北航航空学院博士研究生魏玉领。合作者还包括北航航空学院向锦武院士。

作者简介：

潘飞副教授 是北航青年拔尖人才，曾入选“国家博士后创新人才支持计划”，获得中国力学学会自然科学一等奖等学术奖励。他的主要研究方向是可变性可变形力学超材料、新型材料/结构多尺度力学、超材料飞行器结构设计、超材料软体机器人等。

个人主页：
https://shi.buaa.edu.cn/panfei

陈玉丽教授 是国家杰出青年科学基金获得者、教育部青年长江学者，主要从事多尺度复合材料力学、新型材料结构设计等方面的研究，曾获中国力学学会自然科学一等奖、国家级教学成果二等奖、中国青年女科学家奖等奖励。

个人主页：
https://shi.buaa.edu.cn/chenyuli

该研究团队招收力学及先进材料和结构相关的研究生、博士后和青年教师，有意者请联系：[email protected]；[email protected]。

全文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202410865

来源：高分子科学前沿

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