Significance：機械超材料的特性是由結構而不是構成物決定的。它們提供了一個獨特的平臺，可以在宏觀尺度上編程和操縱結構配置，從而實現(xiàn)難以實現(xiàn)的先進功能。Maxwell晶格是一類拓撲機械超材料，能提供可調節(jié)的機械性能和拓撲變換，可應用于能量吸收、沖擊緩沖和波導。然而，這些拓撲變換在各個形態(tài)之間同步控制是極具挑戰(zhàn)的。多穩(wěn)態(tài)超材料可實現(xiàn)各種幾何形態(tài)之間的快速可逆拓撲轉換，從而為機械剛度調節(jié)、沖擊緩沖、機械計算和神經形態(tài)計算以及柔性機器人等潛在應用提供了可能性。機械超材料已被證明具有負泊松比、負壓縮性和可編程非線性等奇特的物理和機械性能。Maxwell晶格，作為一類典型的機械超材料，具有獨特的表面/界面機械性能，并且?guī)砹藦V泛且吸引人的應用，包括應力集中和斷裂保護、聲子波導、聲子二極管和可調穩(wěn)定性等。傳統(tǒng)Maxwell晶格具有拓撲保護的邊緣柔性模式和自應力狀態(tài)，這些特性可以通過晶格的均勻無應變扭轉來實現(xiàn)轉換。拓撲極化轉換可引起晶格表面剛度發(fā)生巨裂變化，這對沖擊緩沖、非互易波傳播等多種工程應用很有研究價值。然而，由于晶格處于臨界機械穩(wěn)定區(qū)域，這種轉換控制在實踐中極具挑戰(zhàn)。近期，來自美國哈佛大學的陳資（Zi Chen）教授和修哈寧博士（Haning Xiu）以及來自密歇根大學（安娜堡）的毛曉明（Xiaoming Mao）教授等研究人員提出了一種新的Maxwell晶格機械超材料設計，即通過結合雙穩(wěn)態(tài)晶格單元來實現(xiàn)同步拓撲轉換和結構彈性特性可編程重構性。相關研究成果以“Topological transformability and reprogrammability of multistable mechanical metamaterials”發(fā)表在《PNAS （美國國家科學院院刊）》 (PNAS 2022 Vol. 119 No. 52 e2211725119) 上，第一作者為修哈寧博士，通訊作者為陳資教授和蔣毛曉明教授。該團隊首次將Maxwell晶格的拓撲力學與多穩(wěn)態(tài)相結合，實現(xiàn)了拓撲機械超材料在不同拓撲相之間的迅速可逆變換。與傳統(tǒng)的Maxwell晶格具有沿無應變方向連續(xù)變形的特點相比，晶格單元引入雙穩(wěn)態(tài)設計可為晶格變形提供了明確的穩(wěn)定狀態(tài)（每個單元都具有雙穩(wěn)態(tài)），從而可以更好地控制晶格變形（圖1）。此外，這種設計為拓撲態(tài)和多穩(wěn)態(tài)之間的界面形態(tài)開啟了完全新而豐富的物理學研究，提供了可重新編程和反應刺激應答的應用基礎，以及材料相關的多功能特性。我們提出的新型多穩(wěn)態(tài)機械超材料可以通過多種可逆路徑來實現(xiàn)拓撲變換。與此同時，機械剛度在不同拓撲狀態(tài)之間展現(xiàn)出巨大的對比，并且該超材料能夠實現(xiàn)可調節(jié)的機械“模量”，這是傳統(tǒng)Maxwell晶格所缺少的特性。物理演示的極化晶格的拓撲變換和邊緣剛度硬化可在附件視頻中查看（應該提供視頻的鏈接）。最后，將多穩(wěn)態(tài)結構引入機械超材料是一種范式轉變的設計，將釋放和擴大它們在剛度調節(jié)中的應用；并促進機械計算系統(tǒng)、神經形態(tài)超材料、可控變形系統(tǒng)、柔性機器人、仿生控制和分布式智能的發(fā)展。這項工作受到了海軍研究院基金(MURI N00014-20-1-2479)的資助。
圖1. Maxwell晶格拓撲相變示意圖及實驗演示。(a)Maxwell晶格的拓撲變換。(b) Maxwell晶格軟邊與硬邊的機械剛度對比。(c)帶有輔助彈簧的雙穩(wěn)態(tài)晶格單元結構。(d) Maxwell晶格的極化相態(tài)向非極化相態(tài)的拓撲轉變。(e) 對于給定位移的軟邊和硬邊施加推力的對比。
