我国学者在机械超材料结构设计上取得突破

　　

图 不同超结构设计与变形模式。（a-e）典型非手性超结构及其基杆弯曲屈曲模式；（f-g）手性扭曲超结构及其元胞扭曲变形模式；（h）性能对比示意图

　　在国家自然科学基金项目（批准号：52322505、52241103）等资助下，国防科技大学方鑫研究员团队在机械超材料结构领域取得新进展，相关研究成果以“手性扭曲超结构中的超大可恢复弹性储能（Large Recoverable Elastic Energy in Chiral Metamaterials via Twist-Buckling）”为题，于2025年3月13日在《自然》（Nature）杂志上发表。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-08658-z。

　　机械超材料结构（简称超结构）可通过拓扑构型设计与变形模式调节实现高刚度、可变形重构和波动可调控等特性，在工程结构、装备制造等领域引起了广泛关注。目前的轻质高刚度超结构普遍采用多孔桁架阵列构型，利用内部基元的屈曲来承受压缩载荷，其最大屈曲应力决定了其承载强度。然而，当前超结构的屈曲强度、极限弹性能量密度均与其可恢复极限弹性变形能力（即韧性）之间呈现此消彼长的反比规律，难以兼顾，已成为限制超结构领域发展的瓶颈之一。

　　方鑫研究员团队提出了用压缩扭转屈曲结构替代压缩弯曲屈曲结构作为桁架结构基元的新原理，构造了可自由扭转的手性胞元来诱发所需的“扭曲”模式，据此创成了新型手性超结构（图）。阐明了该超结构扭曲的产生过程和变形-强度协同机理，建立了“手性扭曲理论”，提出了手性扭曲问题的解析解，实现了20%结构形变范围内的准确计算。基于上述理论和方法设计的手性超结构可提供高刚度并承受大变形，其承载屈曲强度相较传统超结构提升5-20倍，弹性应变能密度提升2-160倍，突破了传统认知中的材料与结构力学性能极限。

　　该研究成果不仅拓展了结构扭曲问题的相关理论，也为各类轻质高强韧超结构的设计提供了新原理与新方法，具有广阔的应用前景。