特別說明：本文由米測技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。
原創丨米測MeLab
編輯丨風云
研究背景
機械超材料表現出許多有趣的特性，例如低密度時的高剛度、增強的能量吸收、形狀變形、連續變形、輔助性和穩健的波導等。到目前為止，超材料設計主要依賴于幾何形狀。
關鍵問題
然而，超材料的設計主要存在以下問題：
1、塑性材料的非線性設計未被充分利用
盡管塑性是大多數固體材料普遍存在的非線性特性，但在超材料設計中，塑性尚未被作為屈曲行為設計原理的組成部分來探索。目前的研究主要集中于幾何控制功能和利用屈曲的機械不穩定性，而塑性變形通常只被用于實現能量耗散或永久形狀變化，并沒有被納入設計原理。
2、塑性目前普遍被認為對超材料功能存在負面影響
目前，塑性被認為可能對超材料的功能有害，這可能是因為塑性變形可能導致不可逆的形狀變化，從而影響超材料的預期性能。因此，需要進一步探索如何在設計中有效利用塑性，同時避免其潛在的負面影響。
新思路
有鑒于此，阿姆斯特丹大學Corentin Coulais等人發現塑性和屈曲不穩定性之間的微妙平衡，稱之為“屈服屈曲”。作者利用屈服屈曲來設計超材料，這些超材料可以按任意大步驟順序屈曲，同時保持承載能力。利用順序屈服屈曲來創建結合了剛度和耗散（兩個通常不相容的特性）并且可以多次使用的超材料。因此，所獲得的超材料表現出卓越的減震性能。該發現為超材料工具箱增加了可塑性，使機械超材料成為一項具有大規模生產巨大潛力的新興技術。
技術方案：
1、提出并展示了屈服屈曲在超材料設計中的關鍵作用
作者揭示了正方形晶胞在彈塑性韌帶連接下的屈服屈曲現象，關鍵在于實現晶胞自接觸前的連續屈曲步驟，對形狀變形和機械計算等領域具有應用潛力。
2、通過屈服屈曲開發了新型超材料結構
作者開發了一種新型超材料結構，通過屈服屈曲和穩定韌帶實現局部屈曲和能量耗散，避免了整體屈曲，為創造高剛度和強度的材料提供了新方法。
3、實驗演示了理想減震器
作者3D打印了一種超材料圓柱體，通過屈服屈曲實現了可調減震性能，具有多次使用的能力，優于傳統減震結構。
4、將屈服屈曲的概念擴展到二維和三維超材料設計中
作者將屈服屈曲擴展至二維和三維超材料，實現了多方向順序屈曲和能量耗散，為設計高剛度和強度的材料提供了新方法。
5、比較了屈服屈曲超材料與其他減震超材料的機械性能
作者證實了屈服屈曲超材料在減震性能上超越現有材料，具有可重復使用性，且易于制造，有廣泛的應用前景。
技術優勢：
1、利用屈曲和塑性之間的相互作用進行了超材料設計
作者提出了“屈服屈曲”這一新概念，這是一種塑性和屈曲不穩定性之間的平衡狀態。利用這一原理設計的超材料，能夠實現任意大的順序屈曲步驟，同時保持承載能力。
2、通過結合剛度和耗散特性，獲得了具有卓越減震性能的超材料
通過順序屈服屈曲，作者設計了一種新型超材料，不僅結合了通常不相容的剛度和耗散特性，而且可以多次使用。這種超材料展現出卓越的減震性能，這一發現不僅提升了超材料性能，還為超材料的大規模生產和應用提供了巨大的潛力。
技術細節
提出了屈服屈曲的概念
作者探究了彈塑性韌帶連接的正方形晶胞在壓縮下的屈曲行為，發現三種狀態：彈性屈曲、塑性屈曲和屈服屈曲。彈性屈曲發生在晶胞長寬比或屈服應力較大時，塑性屈曲則在長寬比或模量比較大時出現。最引人關注的是屈服屈曲，它在長寬比和材料的塑性達到微妙平衡時發生，導致屈曲時載荷急劇下降。這種載荷減少確保了載荷始終保持在初始屈曲載荷以下，直至晶胞自接觸，對于實現連續屈曲步驟至關重要。通過改變參數進行數值模擬，驗證了屈服屈曲的理論預測，并展示了屈服屈曲在實現有序屈曲超材料中的關鍵作用，這在形狀變形、機械計算、波浪控制等領域具有潛在應用。
圖 屈服屈曲
超材料中的屈服屈曲
作者將屈服屈曲概念與結構穩定的超材料結合，開發了一種能防止整體剪切屈曲并展現多個局部屈曲模式的超材料幾何結構，實現了有限的力下降。該結構包含額外的穩定韌帶，這些韌帶延遲了屈曲并限制了載荷減小，使得屈服屈曲狀態下屈曲和接觸誘導硬化能有序發生。在彈性屈曲和塑性屈曲狀態下，觀察到不同的屈曲行為，而在屈服屈曲狀態下，實現了兩步順序屈曲。屈服屈曲還防止了不必要的整體屈曲模式，允許對任意數量的步驟進行穩健的連續線模式屈曲，為開發具有高剛度、強度和能量耗散的超材料提供了新途徑。
圖 具有線模式的超材料中的屈服屈曲
理想減震器
作者將具有六種線模式的二維超材料制成圓柱體，使用3D打印的316L不銹鋼材料，展示了其在單軸壓縮下的屈服屈曲行為。超圓柱體在壓縮過程中表現出高剛度，隨后各層依次屈曲并接觸，形成波動的平臺，展現了承載能力和能量耗散的結合。該結構在不同條件下都表現出穩健的多步連續行為，且可通過調整韌帶厚度來調節機械性能。與標準減震結構相比，超圓柱體在靜態和動態測試中均能更均勻地吸收能量。此外，該結構可多次使用，保持初始性能，與一次性的碰撞罐相比，展示了其在減震方面的可調性、堅固性和高效性。
圖 理想減震器的實驗演示
超材料設計擴展
作者已經將屈服屈曲的概念擴展到二維和三維超材料設計中。在二維層面，通過修改設計，實現了沿兩個方向的順序屈曲，產生了具有多個振蕩的波浪形力-位移曲線平臺。這種策略同樣可以擴展到三維，其中包含三個正交層模式。通過實驗，如將12層梁結構旋轉成圓柱形的metacrashcan，作者證明了在壓縮下，結構可以依次折疊12步，直到達到較大的壓縮沖程，同時保持均勻的能量耗散。此外，通過調整壁厚，可以在更大的沖程中實現更均勻的耗散，而不會顯著增加超材料的相對密度。屈服屈曲的穩健性和可調性為創造具有高剛度、強度和能量耗散的超材料提供了新的可能性。
圖 大壓縮行程雙向連續屈服屈曲
機械性能
作者開發的屈服屈曲超材料在機械性能上具有顯著優勢。通過Ashby圖表比較，這些超材料在相對剛度、能量吸收和平臺強度等指標上，優于其他可重復使用的減震超材料，如液態金屬晶格和彈跳超材料，甚至可與傳統減震器如蜂窩晶格和金屬泡沫相媲美。此外，屈服屈曲超材料的性能可與納米結構和金屬微晶格相比，但具有連續性，可多次使用而保持初始性能，且易于通過不同結構、材料、規模和制造方法生產 。
圖 機械性能
展望
總之，本工作證明了屈服屈曲與合適的超材料結構相結合是實現順序屈曲和創建理想減震器的關鍵工具。理想減震器可以以更小的體積吸收更多的沖擊能量，可由任何彈塑性材料制成，可多次使用，可推廣到多個方向的沖擊，可擴展到各種超材料結構，以適應大范圍的沖擊行程，并且可以批量生產。因此，理想減震器可以應用于各種應用，從米級的汽車和航空航天到微米級的顯微鏡和納米光刻。除了減震范圍之外，預計屈服屈曲可以在軟機器人和機械自組裝以及材料學習的形狀變形超材料背景下產生獨特的響應。
參考文獻：
Liu, W., Janbaz, S., Dykstra, D. et al. Harnessing plasticity in sequential metamaterials for ideal shock absorption. Nature (2024).
https://doi.org/10.1038/s41586-024-08037-0
