随需定制和再定制的力学行为随着同一块材料的不同应用而变化，这对于调整运动、操纵刚度、适应环境和切换功能至关重要。在许多尖端设备和机器中，随需定制和再定制的力学行为对材料科学家和工程师来说是一个正面临的挑战。作为一种新的材料设计范式，机械超材料具有前所未有的特性，这归功于巧妙的辅助微结构（构件），而不是化学成分。机械超材料使得设计具有可重新定制特性的材料成为可能。尽管少数构件的力学行为可以通过改变初始状态、边界条件和外部约束等来原位调整，然而，结构拓扑和力学之间的复杂关系阻碍了超材料对不同目标的力学行为的调整。一方面，具有非线性力学行为的构件通常具有特殊的微观结构，因此设计具有目标力学行为的构件通常需要复杂的力学分析和迭代、优化。另一方面，机械超材料通常是由周期性相互连接的构件构成的，因此构件的运动学是高度耦合和相互约束的。宏观尺度和微观尺度之间的变形耦合使得利用空间异质性对宏观行为进行有意调整变得复杂。为了简化结构拓扑与力学之间的耦合关系，最近提出了“3D像素力学超材料”。它解耦了相互连接的构件之间的变形约束，大大提高了材料的可变形性和可编程性，为机械定制和再定制提供了一种有前景的结构形式。然而，如何快速逆设计和定制具有更一般单元类型和排列形式的超材料的力学性能，仍有待探索，这需要一个通用的设计理论指导。
近日，北京航空航天大学陈玉丽教授团队以题为“A Stair-Building Strategy for Tailoring Mechanical Behavior of Re-Customizable Metamaterials”在《Advanced Functional Materials》上报道了一种可重新定制的力学超材料设计策略，该策略的灵感来自于使用积木构建目标形状结构的可视化过程。通过“阶梯建造”策略，可以快速获取任意目标应力-应变曲线下的超材料结构信息。此外，由于双稳态构件的原位可调性，这种超材料的特性可以在更大范围内重新定制。提出的三种具体的反设计方案都可以简单快速地实现该策略，并通过实验和有限元仿真验证了这三种反设计方案的有效性和准确性。
图1：“楼梯建造”策略示意图。
（a）任意的应力-应变曲线可以近似为由“砖”建造的“楼梯”。（b）机械超材料的三层结构，使应力-应变曲线具有广泛的定制空间
图2：基于阵列结构超材料的楼梯建造策略的力位移分析。
（a）几种常见双稳态配置的例子。（b）双稳态单元在位移控制边界条件下具有典型的N型力位移曲线，在力控制边界条件下表现为贯通行为。（c）在力控边界条件下，双稳态单元在不同稳定状态下具有不同的加载曲线，可分别简化为阶跃函数和blank-shaped函数。（d-e）不同稳定状态下的多稳态模具有不同的加载曲线，可以简化为分段阶跃函数，直接通过位移方向上单元函数的叠加得到。（f）将各模块在力方向上的函数叠加，得到超材料的简化分段阶跃函数。
图3：三个简单的逆设计方案。
（a）目标应力应变曲线与阵列结构超材料示意图。（b）方案1:超材料只有一种类型的单元和模块，在每个模块中可以调整0和1状态单元的分布。（c）方案2:超材料有多种类型的模块，每种模块只有一种类型的1个状态单元。（d）方案3:超材料有多种类型的1个状态单元，只有一种类型的模块。
图4：基于交叉曲线梁结构阵列的机械再定制。
（a）曲线梁单元的几何参数及力位移曲线。（b）基于曲线梁结构的阵列结构超材料的四种目标应力应变曲线与实验结果的比较。（c）：（b）中为目标曲线重新定制的阵列结构超材料的稳定构型。
图5：基于一种曲线梁结构阵列针对三种典型应力应变曲线的三种设计方案的有限元模拟结果。
（a）超材料、模块、单元示意图。分别以（b）硅酮泡沫复合材料、（c）泡沫铝和（d）丝支架的应力应变曲线为目标。（1）、（2）、（3）分别为方案1、方案2、方案3的结果，其中M、N、Q表示数组中模块的总数、单元的总数、单元类型的个数。（有限元计算结果的波动来自于结构的局部振动和动力学分析引入的扰动）。
图6：图解定制的非单调加载曲线。
（a）斜板加载阵列结构超材料原理图。（b）与模块轴向夹角为α的倾斜板对阵列结构超材料的加载过程。
文章信息：
Lin, X., Pan, F., Yang, K., Guan, J., Ding, B., Liu, Y., Yang, K. J., Liu, B., Chen, Y., A Stair-Building Strategy for Tailoring Mechanical Behavior of Re-Customizable Metamaterials. Adv. Funct. Mater. 2021,2101808.
https://doi.org/10.1002/adfm.202101808
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