让材料能软能硬，随需而变？武汉大学李洋团队提出结构可编程超材料新方案

研究背景

力学超材料通过在材料内部引入多孔结构与智能响应单元，可实现一系列传统材料难以具备的力学特性，如负泊松比、可定制的应力–应变响应、多稳态行为、刚度各向异性以及可调刚度等。这类超材料的结构形态丰富，包括多孔/泡沫/层级/多胞元/梯度结构、双稳态单元拼接、微型桁架与梁、极小曲面、Miura折纸堆叠结构，以及基于连杆机构的设计等。应力–应变关系是力学性能的核心表征，涵盖刚度、强度以及随应变发生的硬化或软化行为。近年来，一种重要的研究方向是开发可实现指定非线性应力–应变曲线的可编程超材料。例如，零刚度特性适用于振动隔离，应变硬化行为有助于在满足日常使用舒适性的同时实现极端冲击下的能量吸收；接近皮肤或组织的力学特性使其在柔性穿戴设备与生物支架等领域具有广阔前景。然而，目前大多数超材料的力学响应仍主要体现为单向的应变硬化，缺乏可实现多级应变软化的能力。尚未有超材料系统在同时满足轻量化（高应力/质量比）、大变形能力（应变超过50%）、易于加工（如可直接一体式3D打印）以及任意定制非线性应力–应变行为（包括可控的软化/硬化位置与幅度）等关键指标方面实现全面突破。

研究进展

研究团队对比分析了单自由度与多自由度系统在实现可编程力学响应方面的能力。以三种典型结构为例——不同刚度的线性弹簧串联、非线性弹簧串联系统，以及由单自由度机构与弹性元件耦合构成的单自由度系统。结果表明，多自由度系统由于其“欠驱动”特性，变形路径受限于最小能量原则，难以实现复杂的应力–应变关系。而单自由度系统则可精确控制结构的运动路径，突破传统设计限制，具备实现任意非线性力学响应的潜力。

随后，针对上述问题，提出了一种基于弹性组件与运动学基座耦合的机械超材料新范式。本文采用单自由度运动学框架与弹性组件相结合，有效消除了多自由度系统中能量梯度对变形路径的影响。

每个弹性组件包含两个整数设计变量和六个实数设计变量，通过对其压缩过程中的能量变化进行描述，实现了机械超材料应力–应变曲线的参数化表达。研究团队采用双材料3D打印技术制备了四组不同目标曲线的样本，实验结果验证了理论模型的准确性与有效性，大学生工程训练与创新实践中心的陈东和黄亚老师为此项目提供了机械加工的支持。此外，团队还系统分析了不同数量弹性组件对同一目标曲线拟合效果的影响。

随后，团队引入记忆合金（SMA）作为可调刚度元件，通过外部激励实现超材料响应的快速切换和重构，提升了结构的适应性和功能多样性，为智能自适应功能材料的发展提供了新思路。

最后，本研究进一步拓展了单自由度机械超材料模型，实现了可设计的各向异性力学响应，支持多方向应力–应变曲线的逆向设计，这一进展丰富了超材料的设计维度，提升了其实际应用潜力。

未来展望

本研究揭示了多自由度机械超材料类似“欠驱动系统”的本质，其变形过程受能量最小原理约束，难以实现任意力学响应。针对这一问题，研究团队提出反设计策略，通过理论、仿真与实验系统验证，实现了硬化/软化位置可调、响应程度可控的各向异性非线性行为。该材料兼具轻量化、大变形与易加工等优点，为智能可重构结构的设计提供了新范式。

来源：https://doi.org/10.34133/research.0715