超越极限：哈佛大学解锁柔性机械材料的动态新纪元！！

【研究背景】

非线性动态材料是具有特殊功能的材料，因其在能量收集、冲击缓解及机械信号处理等领域的广泛应用而受到关注。与传统的线性材料相比，非线性动态材料具有更强的适应性和多功能性，可以在复杂的动态环境中执行各种任务，例如能量聚焦、能量分裂和动态保护。然而，这类材料的设计与优化面临着挑战，特别是在空间和时间上的能量流动控制能力方面。

近日，来自哈佛大学Katia Bertoldi课题组的研究人员在非线性动态材料的设计中取得了新进展。该团队开发了一种基于全可微仿真环境的反向设计框架，成功设计了具备目标非线性动态响应的柔性机械超材料。通过对超材料几何形状的最佳调谐，该研究实现了不同动态任务的切换，例如能量聚焦与动态保护。此外，研究人员利用静态预压缩技术，增强了材料在执行多任务时的灵活性和适应性。

该团队的创新设计不仅提高了超材料的性能，还成功获取了能量聚焦和动态保护的显著结果。这一进展标志着非线性动态材料的应用潜力正在被逐步释放，为未来智能材料与设备的开发提供了新的思路。这些新型材料有望在机器人、可调振动控制和大幅度冲击缓解等领域发挥重要作用，推动相关技术的进步和应用。

【表征解读】

本文通过优化选材和工艺制备了具有高度可变形特性的柔性机械超材料，具体来说，采用了反向设计框架，并利用全可微仿真环境来调节超材料的几何形状，从而首次研发出能够在非线性动态任务中表现出色的新型材料。这些新材料不仅可以实现能量聚焦、能量分裂和动态保护，还能进行非线性运动转换，最终揭示了高度可重编程的功能性，这为智能材料的应用提供了全新的可能性。

针对高效控制材料非线性行为的需求，本文通过差分模拟分析发现，设计的柔性超材料能够在复杂动态条件下展现出优异的性能。通过对材料几何形状的精确优化，探索了材料在动态任务中的潜力，进而挖掘了其在机器人技术、可调振动控制和大幅度冲击缓解等领域的应用价值。

在此基础上，通过实验室中的静态和动态测试等多种表征手段，着重研究了材料在实际应用中的表现。通过对制备出的超材料的力学特性和动态响应进行深入分析，研究者验证了其在不同动态任务切换时的鲁棒性。这些研究结果不仅推动了柔性机械超材料的发展，也为未来设计更为复杂的智能材料奠定了基础。

最终，本研究的推动力在于推动材料科学和工程领域的发展，特别是在非线性动态控制方面。随着材料设计的不断进步和应用范围的拓展，未来有望在智能机器人、可穿戴设备和环境适应性材料等领域实现更广泛的应用，满足日益增长的技术需求。

【图文解读】

图1：可编程非线性动态超材料的自动化设计。

图2：能量聚焦。

图3：重新编程聚焦位置。

图4：重新编程功能。

图5: 非线性运动转换。

【结论展望】

本文通过反向设计框架，研究者能够针对特定的动态任务，优化柔性机械超材料的几何结构，实现能量聚焦、能量分裂、动态保护和非线性运动转换等功能。这种创新的设计策略不仅拓宽了材料科学的应用边界，还为开发具有可重编程功能的材料开辟了新的可能性。特别是，将能量聚焦与动态保护两种竞争任务整合到同一架构中，并通过静态预压缩实现任务间的切换，展示了设计的灵活性与适应性。这一研究成果不仅丰富了非线性材料的理论研究，还为未来在机器人技术、振动控制和能源收集等领域的应用奠定了基础。总体而言，本文的工作强调了空间工程和动态调控在智能材料开发中的重要性，为进一步探索和利用材料的非线性特性提供了新的思路和方法。

文献信息：Bordiga, G., Medina, E., Jafarzadeh, S. et al. Automated discovery of reprogrammable nonlinear dynamic metamaterials. Nat. Mater. (2024). https://doi.org/10.1038/s41563-024-02008-6