力學(xué)超材料是通過精心設(shè)計的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)超常規(guī)的力學(xué)性能的一類材料，超材料的設(shè)計通常注重其內(nèi)部的幾何結(jié)構(gòu)，而往往忽略了組成其結(jié)構(gòu)材料本身的非線性力學(xué)特征。
盡管當(dāng)前超材料僅通過內(nèi)部特殊的幾何結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)了很多新奇且優(yōu)異的力學(xué)性能，但其局限性也十分明顯，比如僅通過結(jié)構(gòu)設(shè)計就很難使超材料同時具備高剛度和高的能量耗散。前者主要用作承載，而后者則用于吸收沖擊和震動的動能。
基于此，荷蘭阿姆斯特丹大學(xué)博士生劉文峰和所在團(tuán)隊設(shè)想：是否可以結(jié)合材料本身的非線性力學(xué)特征和超材料的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計出一類新的超材料來解決上述問題？
為此，他們探索了材料中一個常見特性——塑性，即探索材料在受到過載時的失效傾向（設(shè)想一下當(dāng)你用力過度去彎折鋼勺時會發(fā)生什么）。
科學(xué)家通常會避免材料發(fā)生塑性變形，因為這會很容易使材料變軟失效。然而，通過設(shè)計和三維打印由鋼材制成的超材料，他們發(fā)現(xiàn)塑性軟化可以被用作控制超材料在壓縮時變形的機(jī)制。
通常，高剛度的材料和結(jié)構(gòu)在載荷達(dá)到臨界值之后，會突然失效（設(shè)想踩上一個空的汽水罐會發(fā)生什么）。
而在這項工作中，他們設(shè)計的超材料不僅強(qiáng)度和剛度高，而且在壓縮時會按順序逐步壓潰，事實上這一過程非常類似于雨傘傘把的回收過程。
之所以實現(xiàn)這一性能主要基于兩方面：首先，他們通過超材料的幾何設(shè)計來實現(xiàn)其失效前的高強(qiáng)度與剛度。其次，他們通過利用塑性軟化和超材料本身的自接觸強(qiáng)化，因此能夠控制超材料的壓潰過程。從而實現(xiàn)穩(wěn)定且巨大的能量耗散。
更重要的是，這兩個特性可以同時在輕量化的超材料中實現(xiàn)，從而能夠巧妙解決材料無法同時具備強(qiáng)度剛度、能量吸收和輕量化的這一長期難題。
最后，使用這種策略設(shè)計的超材料可以被設(shè)計成多種幾何形狀和尺寸，因此這些超材料結(jié)構(gòu)適用于制備多種材料，比如制備具有塑性的聚合物、金屬或復(fù)合材料。
對于相關(guān)論文，審稿人表示研究人員利用材料塑性來設(shè)計力學(xué)超材料，讓這些超材料能夠以任意大的步驟順序屈曲。為了更簡單的指導(dǎo)超材料的設(shè)計，研究人員提出了“屈服屈曲”。
具體而言，旋轉(zhuǎn)方形單元的“屈服屈曲”恰好發(fā)生在彈塑性材料的屈服點，導(dǎo)致單元在屈曲（一種失穩(wěn)形式）發(fā)生時負(fù)載下降，直到自接觸發(fā)生之后負(fù)載再次增加。通過屈服屈曲和合適的超材料結(jié)構(gòu)的結(jié)合，研究人員開發(fā)了一種同時具有承載能力、高強(qiáng)度和最大漸進(jìn)能量耗散的減震器，在各種條件下，例如在不同的節(jié)點連接尺寸之下以及在不同的加載速度和離軸壓縮之下，材料表現(xiàn)出連續(xù)減震變形的出色穩(wěn)定性。
與其他現(xiàn)有超材料相比，該項工作所提出的超材料設(shè)計結(jié)合了高剛度、高效減速和高能量耗散，并且可以使用不同的制造方法在廣泛的規(guī)模范圍內(nèi)生產(chǎn)。
總的來說，本次論文結(jié)合材料塑性實現(xiàn)了超材料順序屈曲的設(shè)計策略新穎獨特，是對力學(xué)超材料領(lǐng)域的一項非常出色的貢獻(xiàn)。
期刊編輯則表示本次研究構(gòu)建了一種力學(xué)超材料，它可以依次屈曲以耗散大量能量，從而實現(xiàn)沖擊吸能。通過觀看該作品的視頻來更好地欣賞這一過程，作者們對其工作機(jī)理以及為什么會根據(jù)材料的塑性和幾何形狀設(shè)計進(jìn)行深入研究，使得其可以很容易地根據(jù)各種彈塑性材料和情況進(jìn)行定制。
該項成果適用于結(jié)構(gòu)同時承載與沖擊減震吸能，直接的應(yīng)用場景便是各類防護(hù)設(shè)備、汽車、飛機(jī)、火箭和地震沖擊防護(hù)。
他們的工業(yè)合作者荷蘭塔塔鋼鐵公司對這項研究非常感興趣，他們認(rèn)為該項研究在汽車的沖擊防護(hù)有非常巨大的應(yīng)用前景，因此這篇論文投稿之前，研究人員就聯(lián)合提交了歐洲發(fā)明專利申請。除此之外，他們認(rèn)為該項研究未來還可能應(yīng)用于各類形變超材料，比如高性能的柔性機(jī)器人、材料的自主裝、 甚至是具備“學(xué)習(xí)”能力的動態(tài)材料。
據(jù)了解，該實驗室已經(jīng)在超材料的變形領(lǐng)域研究多年。當(dāng)劉文峰加入實驗室時，劉文峰和導(dǎo)師倫丁·庫萊（Corentin Coulais）教授就其博士課題方向展開過討論，當(dāng)時大概討論了四五個方向，其中的一個方向是超材料順序屈曲變形行為。
所以在劉文峰讀博早期，他要基于實驗室先前的一些工作 [1,2]，通過在超材料中設(shè)計一系列的條狀零能量結(jié)構(gòu)（Zero energy modes）來實現(xiàn)上述變形特征。
但是，當(dāng)劉文峰沿著這個思路設(shè)計更高階的順序屈曲行為時卻總是失敗。直到有一天劉文峰在一本經(jīng)典力學(xué)教材中讀到一小段內(nèi)容，其中介紹了彈塑性桿件在壓縮下失穩(wěn)的情況，并簡單討論了塑性和屈曲失穩(wěn)之間的關(guān)系，這啟發(fā)了劉文峰將塑性作為超材料的設(shè)計工具（盡管塑性在以往超材料的設(shè)計中通常被避免）。
通過此，劉文峰發(fā)現(xiàn)當(dāng)超材料的幾何結(jié)構(gòu)與基材的塑性達(dá)到微妙的平衡時，會出現(xiàn)一種有趣的順序行為，更有意思的是，他們發(fā)現(xiàn)這種由材料塑性所誘發(fā)的超材料的順序屈曲行為，巧妙解決了超材料設(shè)計中剛度和能量耗散無法兼容的矛盾。
之后他們發(fā)現(xiàn)這種順序屈曲的行為，廣泛適用于各種彈塑性材料和多種超材料結(jié)構(gòu)之中，并且這類超材料具備在各種工業(yè)尺寸實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)的潛力。
當(dāng)他們將這一發(fā)現(xiàn)展示給他們在塔塔鋼鐵荷蘭公司（一家鋼鐵制造商）的合作伙伴時，他們也非常興奮，因為這可能會應(yīng)用于車輛緩沖區(qū)中理想的減震設(shè)計。
之后，為了驗證這一機(jī)理的可靠性，他們聯(lián)系了塔塔鋼鐵荷蘭公司的一個三層樓高工業(yè)落塔上試驗裝置來進(jìn)行沖擊測試，他們通過高速攝像機(jī)來捕捉高速沖擊下超材料的變形過程。實驗結(jié)果驗證了這一機(jī)理的可靠性，但實驗過程還是非常之驚險，尤其是當(dāng)重達(dá) 25 公斤的鐵塊從 10 米落下之時，所帶來的震動和聲響還是相當(dāng)之震撼。雖然整個過程實驗人員都是被隔離在了落塔之外，但他們價值上百萬的高速攝像機(jī)卻在離落塔實驗平臺兩米左右的距離。幸運的是，高速攝像機(jī)完好無損。
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