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具體來說：

單次使用的材料吸能能力好，如金屬蜂窩結構和金屬泡沫，它們在單次沖擊下表現出色，但往往只能一次使用，無法滿足重復使用的需求。

另一類是可重復使用的吸能材料，它們雖然滿足重復使用的需求，但其缺點是吸能能力比一次性材料低 1 到 2 個量級。

為解決上述挑戰，中山大學課題組提出了一種利用雙穩態和張拉整體結構的新型力學超材料，實現了材料高效的吸能能力和可重復使用的特性。

（來源：Advanced Functional Materials）

日前，相關論文以《基于雙穩態張拉整體結構的非局域變形增強型可重復使用能量吸收超材料》（Delocalized Deformation Enhanced Reusable Energy Absorption Metamaterials Based on Bistable Tensegrity）為題發表在 Advanced Functional Materials[1]。

中山大學博士生楊昊、張捷是共同第一作者，中山大學吳嘉寧副教授、北京航空航天大學潘飛副教授和中山大學吳志剛教授擔任共同通訊作者。

圖丨相關論文（來源：Advanced Functional Materials）

研究人員注意到，在大型客機遭受鳥撞擊時，只有撞擊點附近區域直接參與了能量吸收和抵御沖擊的過程，而飛機的其他部位并未受到影響。

這一現象啟發了他們，或許可以設計一種材料，使其所有部分都參與到吸能的過程中，以此提升材料的能量吸收性能。基于這一理念，他們利用張拉整體結構的應力自平衡特性設計了一種新型力學超材料。

該材料在捕蠅草的穩態切換行為中汲取靈感，通過精巧的結構設計，在保持材料的彈性形變階段實現顯著的大變形，確保了其在不發生斷裂和塑性變形的情況下能夠被反復使用，從而大大提高了材料的耐用性。

（來源：Advanced Functional Materials）

該課題組在傳統張拉整體材料的基礎上，引入了仿生學理念和雙穩態結構，讓材料的可重復高效吸能成為可能。

張拉整體結構的特點在于，其能夠實現去局部變形機制。通過采用一種創新的“連接策略”，整個超材料均能實現去局部變形。

由于變形前后通過預編程設定的兩種穩定態處于不同的能量等級，結構在兩個狀態間的切換則伴隨著能量吸收與釋放。與之對比的是，傳統的張拉是穩定結構，并不會出現雙穩態。

比起傳統張拉構建的超材料，這項技術的優勢在于，它可以讓超材料具有可重復使用特性，同時保留了張拉整體結構的去布局變形特性，讓所有單元都參與到能量吸收中，從而更有效地應對點狀的集中沖擊。

圖丨雙穩態張拉整體力學超材料結構范例（來源：Advanced Functional Materials）

為確定材料的性能效果，研究人員將該材料與可重復使用的材料進行對比。

結果顯示，前者在可重復實用性和性能能力方面比后者高出 2 個數量級，能量吸收可達到 26.4kJ/(kg·m^²)。尤其是在經過 1 萬次循環測試后，結構也未發生明顯損傷，整體吸能能力也僅降低了 8%。

而傳統力學超材料往往經歷數次壓縮后就無法正常使用了，并且雙穩態材料大約在百次以內也會失效。

此外，該材料在應對集中沖擊時表現出優異的能量吸收系統效果，能夠在小面積加載點觸發下，同步促進包括數個基本單元同步吸收能量（論文中展示數量為 36 個），超越了傳統可重復使用材料的表現。

“基于這些表現，我們可以認定，這種材料在彈性變形階段應對點狀沖擊的吸能能力幾乎可以媲美金屬泡沫通過塑性變形實現的吸能效果。”楊昊說。

圖丨力學超材料的抗沖擊性能評估（來源：Advanced Functional Materials）

在太空領域，張拉整體結構因其獨特的優勢已經被廣泛應用于天線和航天器等設備。目前，該團隊所開發的新型超材料有望進一步擴展它的應用范圍，特別是在零件制造和航空航天領域，例如火箭和月球著陸器等設備。

需要了解的是，這種新型超材料主要由三類元件構成：3D 打印的 L 型構件、繩索和彈簧。

據研究人員預計，結合網狀結構，通過將現有的樹脂材料或普通繩索替換為更適合太空環境的材料后，這種超材料還有望用于柔性捕獲太空垃圾。

楊昊解釋說道：“由于太空垃圾的大小和形狀各異，它們可能會撞擊到網狀結構的任意部位。而這種搭載組合的巧妙之處在于，無論太空垃圾撞擊在哪里，都能觸發整個結構變形與的能量吸收和緩沖效果，實現更柔和的捕獲效果的同時還能重復使用。”

談及這種材料的成本，他表示，這些元件基本是市場中通用的零件，并沒有很高的成本。如果用增材制造的方式進行大規模生產，可以選擇價格更低的 3D 打印技術，或選擇注塑的方式制備這種材料。

圖丨楊昊（左）與吳嘉寧（來源：楊昊）

雙穩態構型因其在新能源材料領域具有應用前景而備受關注，因此該課題組將在以下三個方向開展探索：

首先，將該構型應用于自適應機器人抓手的設計，以探索基于此制備的抓手是否能夠實現打開和關閉狀態之間的快速切換，實現雙穩態控制效果。

其次，將利用雙穩態構型的天然二進制特性——類似于數字 0 和 1 的狀態，探索其在機械計算領域的應用潛力，即通過結構或材料的方式進行邏輯運算和信息存儲。

最后，針對超材料目前僅能實現“并聯”效果的局限性，研究人員希望對力學曲線進行可控編程，通過“串并聯”的結合，實現超材料能量吸收能力的定制化。這些探索將為雙穩態構型超材料的應用開辟更多的可能性。