Nature: 帶紋理的機械超材料的組合設計

材料的結構決定了材料的性質與功能，而機械超材料搭建起了材料的形式與其功能之間的聯系，超材料的微結構設計可以獲得不同尋常的性質，例如負響應參數、雙穩定性等等。許多前沿領域的運用要求具有空間紋理和機械性能，這就要求結構是非周期性的，而這復雜結構的實現總是會導致幾何不穩定性。對于普通的材料來說，非周期性結構和結構復雜性與幾何不穩定性有關，這就阻止了連續可預測的響應。不穩定性阻礙了材料的功能性，因此超材料的設計通常集中于周期結構。然而，近幾年隨著3D打印的發展，這就引出了這樣一個問題：是否能夠采用3D打印設計和制造出結構復雜卻又穩定的超材料呢？

近日，荷蘭和以色列的研究人員提出了一套組合方案，用于設計非周期性的、穩定的機械超材料，并且這種超材料具有空間紋理的功能性。他們通過3D打印，利用立方體堆積木的方式來實現這個方案，這些積木可以各向異性地變形，在保證變形積木在三維拼圖和三維印刷中相互切合的前提下，局部疊加規則允許形狀改變。這些非周期性的超材料表現出長程全息有序，二維表面的紋理表明內部三維結構的排列。這種超材料的壓縮力學響應是通過紋理表面表現執行傳感和模式分析的能力。因此，組合設計開辟了一條設計機械超材料的新途徑。

【圖文注解】
圖1、機械超材料的體積元。

a、在未變形狀態下的柔性各向異性積木。b、變平（-）和變長（+）后的變形積木。c、由A 5×5×5超立方體組成的平行積木塊（左側），在單軸壓力作用下的集體變形（右側）。d、積木（上部）和相應的代表性示意圖（底部），顏色指示方向，黑色的凹痕和白色突起代表變形。e、兩個例子，在例子中，適當極化并相鄰的積木切合在一起。f、周期性的（左側）、復合的（中間）、不穩定的（右側）2×2×2堆積體。對于不穩定的堆積體（右側），不存在相應的一致結構（灰色和點）。

圖2、組合設計

a、從積木內部旋轉到表面旋轉的繪制（從左到右）。b、與給定的x紋理方向相一致的一組五對圖案。(i, ii)、（iii）、(iv)分別為周期性的、準周期性的、非周期性的圖案疊加的例子。c、與L×L×L相一致的自旋構型數量Ω（黑色圓圈），以及上下邊界（藍色區域）。詳見方法部分和補充材料。d、在單軸壓縮情況下，一個10×10×10的超立方體表現出其精確設計的表面紋理。正方形表面底座是為了增加可視性。插入部分展示的是未變形的超立方體。詳見方法部分和補充材料。e、d中超立方體所有變形表面的示意圖。

圖3、模式識別與模式分析

a、可伸縮的5×5×5超立方體在實驗上的實現“笑臉”紋理。b、在實驗圖中，上下箭頭所示方向進行壓縮。c、立方體鎖結構{δL/Z }（正方形）和邊界鍵紋理{δK/Z }（圓形）之間失配的例子。紅色線與圖b中一致。d、力-壓縮實驗曲線。曲線的顏色與c圖相對應。e、實驗上獲得的區域（A）與失配度（C）、剛度ke變化值。彩色數據點與c圖紋理相對應。每個圓圈的尺寸代表剛度ke。f、剛度ke與A+C基本上呈線性關系。彩色數據點與e中含義相同。

文獻鏈接：Combinatorial design of textured mechanical?metamaterials（Nature, 2016, DOI:10.1038/nature18960）

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