《Science Advances》应变速率相关的机械超材料！

机械超材料的设计通常是为了获得罕见、甚至史无前例的新特性和功能。在大多数以前的设计中，常见的是它们的准静态力学行为。近日，荷兰代尔夫特理工大学的S. janbaz等研究者介绍了一种以前未识别的依赖于应变速率的机械超材料，主要的思想是横向连接两根具有非常不同的应变率依赖程度的梁，使它们成为一个单一的双梁。相关论文以题为“Strain rate–dependent mechanical metamaterials”发表在Science Advances上。

论文链接：

https://advances.sciencemag.org/content/6/25/eaba0616

机械超材料的故事始于研究人员试图通过结构材料的合理设计来获得不同寻常的性能。开始的探索范围相对有限，然而，迅速发展，现在的目标不仅在拉胀性，负热膨胀，突弹跳变不稳定性以及超高性能的成熟行为，也包括更新奇的功能，例如形变，运动传递中的非互易性甚至像可编程逻辑门。在某种程度上，材料和机器的界限变得越来越模糊，一些研究者甚至引入了机器物质这样的概念。

在这种情况下，柔性超材料显示了最大的前景。一方面，这些材料表现出的巨大的、可逆的和非线性的变形为培育独特的功能提供了肥沃的土壤。另一方面，柔性机械超材料与软机器人和柔性电子等当前研究领域共享多个有机交叉点。因此，它们在过去几年中受到了最多的关注。

然而，以往的研究大多集中在力学超材料的准静态响应上。在研究机械超材料动力响应的情况下，研究的重点通常是它们的声和波传播特性。然而，力学超材料的粘弹性和应变率相关的行为，特别是表现出实质性的灵活性，可能提供许多新的机会。这一点尤为重要，因为目前大多数柔性机械超材料的设计要么是由表现出极大应变率依赖行为的聚合物制成的，要么包括其他经常导致应变率依赖的耗能机制。显然，柔性机械超材料的应变率依赖行为应该被考虑，甚至更好地利用，以进一步扩展可实现性能和功能的空间。然而，在这方面的主要尝试很少能在文献中找到。

在这里，研究者使用双梁的概念来设计、分析和制造超材料，这些超材料的力学行为可以根据所施加的应变速率改变，或者表现出新型的粘弹性行为。双梁是由两根由两种不同材料制成的梁在横向上连接而成，其中一根材料具有高度变形性和高度应变率相关。另一种是高度变形的，但与应变率无关(即粘超弹性)(图1A)。准静态条件下，超弹性梁的刚度高于粘超弹性梁。研究者使用一个解析模型和多个计算模型来探索这种双梁结构的不稳定模式，演示两梁的超弹性和粘弹性特性的不同组合，以及有目的地引入几何缺陷，可以用来创建稳健的和高度可预测的应变率相关行为的双梁。然后，研究者使用双梁设计和实验实现晶格结构具有独特的应变率相关特性，包括在辅助和常规行为之间切换和负粘弹性。

图1 超弹性/粘超弹性双梁屈曲行为的编程。

图2 高宽比和几何缺陷对双梁屈曲方向的影响。

图3 双梁有目的引入几何缺陷且定义在屈曲方向的转换与应变率发生的区域的计算预测边界。

图4 基于应变率的双梁屈曲方向规划。

图5 双-梁在设计具有新颖性能和功能的超材料和机制中的应用。

图6 双梁平行排列的单元中负粘弹性的演示。

图7 应变率行为的鲁棒性和双梁的可扩展性。

综上所述，研究者演示了如何使用双梁实现与应变率相关的机械超材料，双梁由两根横向附着的梁组成。研究者的计算模型显示了几何设计的重要性，包括双梁的形状(例如，切断模式)，高宽比，并有意引入可靠性方面的缺陷，应变率依赖于控制其屈曲方向。该研究有望在各种领域找到潜在的应用，包括软机器人、可穿戴医疗设备的发展和柔性电子产品。（文：水生）