Fracture toughness and auxeticity in disordered metamaterials
研究通过多目标优化随机梁网络同时优化拉胀性与断裂前吸收能量，发现最优配置沿Pareto前沿分布，揭示了无序力学超材料设计中性能权衡的潜力与局限。
2025-07-26 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci
Combinatorial Design of Textured Mechanical Metamaterials
超材料的结构复杂性是无限的，尽管在实践中，大多数设计包括周期性结构，这导致材料具有空间均匀的特征。更先进的任务，如软机器人，假肢和可穿戴技术，涉及空间纹理的机械功能，需要非周期性的架构。然而，这种结构复杂性的天真实现总是会导致挫折，这会阻止连贯的操作并妨碍功能。在这里，我们介绍了一种组合策略的设计非周期性的但挫折免费的机械超材料，我们表现出空间纹理功能。我们使用立方体构建块-体素-各向异性变形，局部堆叠规则，通过保证变形的构建块适合3D拼图和3D打印来实现这种策略。我们表明，首先，这些非周期性的超材料表现出远程全息秩序，其中的2D像素化的表面纹理决定了3D内部体素排列。其次，它们充当可编程的形状转换器，当单轴压缩时，变形为空间复杂但可预测和可设计的形状。第三，它们对纹理表面压缩的机械响应揭示了它们执行传感和图案分析的能力。因此，组合设计开辟了一条新的途径，使机械超材料具有不寻常的秩序和机器般的功能。
2016-08-01 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Zigzag-base Folded Sheet Cellular Mechanical Metamaterials
日本将平板变成3D复杂结构的艺术“折纸”启发了机械超材料的设计。机械超材料是一种具有不寻常特性的人工工程材料。Miura-ori是一种非凡的折纸折叠模式，具有超材料特性和广泛的应用。在这项研究中，通过错位沿连接脊的三浦织图案的锯齿形条带，我们创建了一类单自由度（DOF）的细胞机械超材料。所得到的配置是基于一个单位单元，其中两个锯齿形带围绕一个孔的截面。我们发现，错位锯齿形条的三浦ori沿连接脊，保存和/或调谐的三浦ori的优秀性能。由于图案中存在孔，所引入的材料比其对应的Miura-ori片材轻。此外，它们也适用于Miura-ori的类似修改，使其适用于广泛的应用。
2015-09-27 cond-mat.mtrl-sci
Twin Mechanical Metamaterials
通过模拟纳米孪晶的几何关系，我们提出了一种新型的孪晶机械超材料（Twin mechanical metamaterials，简称TMEs），它可以阻止在外部载荷作用下局部剪切带的形成，从而避免全局性的灾难性失效。研究了孪晶间距和孪晶角对TTRIP力学性能的影响，如：能量吸收、强度和裂纹扩展阻力。结果表明，孪晶拓扑结构不仅能显著提高拉伸型超材料的能量吸收效率，而且能显著提高材料的裂纹扩展阻力。研究了孪晶间距和孪晶角度对TTRO拉伸强度的影响。这项研究是第一次报告的逆霍尔-佩奇效应的TdR。我们的发现为设计和制造具有特殊可调机械性能的新材料开辟了一条途径。
2021-01-04 cond-mat.mtrl-sci
Putting a spin on metamaterials: Mechanical incompatibility as magnetic frustration
机械超材料为看似不可能的力学提供了一个有希望的平台。它们往往需要其基本组成部分的不兼容性，但对其作用的全面理解仍然难以捉摸。依靠类比铁磁和反铁磁二进制自旋相互作用，我们提出了一个通用的方法来识别和分析拓扑力学缺陷的任意积木。我们强调了二维和三维超材料之间的差异，并展示了拓扑缺陷如何以受控和非平凡的方式引导应力和应变，并激发了迄今为止未知的复杂机械响应材料的设计。
2021-05-19 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Deformation-induced topological transitions in mechanical metamaterials and their application to tunable non-linear stiffening
机械超材料是具有复杂晶胞结构的周期性晶格结构，可以实现超出块体材料能力的非凡机械性能。提出了一类新的超材料，其力学性能依赖于通过形成内部自接触而在拓扑结构中产生形变诱导的转变。所提出的原理的普遍性，证明了拉伸，压缩，剪切和扭转。特别是，它表明，通过挫折的软变形模式，可以产生大的高度非线性硬化效应。可调非线性弹性可以用来设计模仿生物组织复杂机械响应的材料。
2022-04-05 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Mechanical metamaterials: does toughness characterize fracture?
增材制造方法的快速发展创造了一类新的超轻和坚固的建筑超材料，类似于周期性桁架结构。这些具有大量单元的超材料的机械性能最终受到其对损伤和缺陷的耐受性的限制，但对这种敏感性的理解仍然难以捉摸。使用拉伸为主的微结构和超材料标本，包括数以百万计的单元格，我们表明，不仅是应力强度因子，在传统的弹性断裂力学，不足以表征断裂，而且传统的断裂测试协议是不够的。通过数值计算和渐近分析相结合，我们扩展了断裂力学的思想，并开发了一个通用的测试和设计协议的故障的超材料。
2021-06-07 cond-mat.mtrl-sci
Spider-Web Inspired Mechanical Metamaterials
蜘蛛丝是具有优异机械特性的生物材料的显著示例。其牵引丝和粘性丝的多级结构组织导致了不寻常的和可调的性质，从准静态的角度进行了广泛的研究。在这项研究中，灵感来自nephila蜘蛛球网络架构，我们提出了一种新的设计机械超材料的基础上，其周期性重复。我们证明了蜘蛛网超材料结构在动态响应和波衰减机制中起着重要的作用。所得到的结构，以抑制弹性波传播的亚波长的频率范围内的能力进行评估和参数的研究，以获得最佳的配置和组成的机械性能。结果表明，创新的轻质结构的设计，可调的振动阻尼和冲击保护，或大规模的基础设施，如悬索桥的保护的承诺。
2016-07-05 cond-mat.mtrl-sci
On the incompressibility of cylindrical origami patterns
几十年来，艺术家、设计师、工程师和数学家一直致力于将复杂的三维结构从纸中折叠出来的艺术和科学，最终设计出了可展开的结构和机械超材料。在这里，我们研究折纸圆柱体的轴向可压缩性，即，由矩形纸张折叠而成的圆柱形结构。我们证明，使用几何参数，一般的折叠模式只允许有限数量的\emph{isometric}圆柱嵌入。因此，这种结构的可压缩性需要拉伸材料或使折叠变形。我们的结果大大限制了空间的结构，必须搜索时，设计新型的折纸为基础的刚性可折叠的可展开结构和超材料。
2016-01-11 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.comp-ph
Directional mechanical response in the bulk of topological metamaterials
机械超材料是那些设计用于以新颖和理想的方式传递力和运动的结构。最近，Kane和Lubensky证明了在边缘机械稳定点的晶格（麦克斯韦晶格）具有拓扑不变量，描述了松弛的零能量边缘模式的分布。在这里，我们表明，在这些晶格的大部分中的一个点上施加力产生定向的机械响应，其中应力或应变仅在力的一侧引起。这提供了机械极化的体积度量和朝向或远离结构的部分传递应力和应变的设计原理。我们还表征了去除键对材料结构和松弛模式的影响，建立了边缘模式和批量响应之间的关系。
2017-01-30 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Topological defects produce exotic mechanics in complex metamaterials
缺陷，特别是拓扑缺陷，是在自然材料中起关键作用的建筑图案。在这里，我们提供了一个系统的策略，在机械超材料中引入这样的缺陷。我们首先提出的超材料，是一个机械模拟的自旋系统与可调铁磁和反铁磁相互作用，然后设计一个指数数量的挫折免费的超材料，最后引入拓扑缺陷，通过旋转这些超材料中的一串积木。我们通过实验和模拟揭示了拓扑缺陷的独特机械特征，并利用它来设计复杂的超材料，我们可以将变形和应力转向系统的各个部分。我们的工作提出了一个新的途径，系统地包括空间的复杂性，挫折和拓扑结构的机械超材料。
2019-03-19 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Observation of Flat Frequency Bands at Open Edges and Antiphase Boundary Seams in Topological Mechanical Metamaterials
受最近基于Su-Schrieffer-Heeger链的二维手征哈密顿量的理论研究的启发，我们通过实验和计算证明了拓扑平坦频带可以出现在二维平面超材料的开口边缘和环形或管状超材料的反相边界缝处。具体而言，使用磁耦合纺纱机制成的机械系统，我们揭示了存在的边缘或接缝带是平坦的，在整个投影倒易空间如下的预测的基础上的拓扑缠绕数。边缘到边缘的距离敏感地控制边缘带的平坦度和激励的局部化。还观察到分数电荷态的类似物。讨论了在一大类超材料（包括光子晶体和电子超材料）中实现平带的可能性。
2020-11-24 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Homogenized Models of Mechanical Metamaterials
针对机械超材料跨尺度直接仿真成本过高的问题，本文用变分方法推导微极型均质化模型，验证其对二维、三维晶格运动学及能量收敛的刻画能力，并开源全部实现。
2024-10-28 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Disorder Enhances the Fracture Toughness of Mechanical Metamaterials
该研究发现力学超材料中合理引入无序可实现分布式损伤，在强度损失极小的情况下提升断裂韧性，建立了无需裂纹路径信息的无序-韧性力学模型，验证表明最优无序下韧性可达等密度有序晶格的2.6倍以上。
2024-07-09 cond-mat.mtrl-sci
Transformable topological mechanical metamaterials
机械超材料是一种工程材料，它从结构而不是成分中获得了显著的机械性能，如负泊松比、负压缩性、声子带隙和拓扑声子模。在这里，我们提出了一种新的设计原则，基于整个结构的均匀软变形，允许超材料立即和可逆地在具有对比的机械和声学特性的状态之间转换。这些性质受到整个结构的声子带的拓扑结构的保护，因此对无序和噪声具有高度鲁棒性。我们讨论的一般分类，表现出这种软变形的所有结构，并提供具体的例子来演示如何利用软变形转换系统之间的不同制度，使显着的变化，其属性，包括边缘刚度和声速，可以实现。
2015-10-21 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
On the feasibility of pentamode mechanical metamaterials
从概念上讲，所有可想象的三维机械材料都可以由五模材料构建。Pentamodes还能够实现三维变换声学-变换光学的模拟。然而，就我们所知，五元体还没有在实验上实现。在这里，我们调查，因为米尔顿和Cherkaev在1995年提出的五模理论理想可以近似的超材料与当前国家的最先进的光刻。使用由我们制造的三维微结构校准的数值计算，我们发现品质因数，即，实际上，体积模量与剪切模量之比可以大到约1，000。
2012-03-06 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Can confined mechanical metamaterials replace adhesives?
机械超材料的研究受到了广泛的关注，但其广泛应用仍处于停滞状态。这些材料通常被认为是独立的，相对于所有特征长度尺度仅与材料本身的几何形状相关联。在这项工作中，我们提出了新的应用机械超材料的界面区域连接两种材料的潜力，取代散装粘合剂。这个想法导致了超材料和粘合剂接头的范式转变。具体地说，我们概述了在断裂力学框架内测试和评估受限晶格材料的方法。理论和数值方法交织，揭示了一组关键参数，需要考虑在设计过程中。拉伸和弯曲为主的晶格进行了探索，并提出了故障图，表示敏感性取决于一定的故障模式的水平的限制和特征尺寸的每个晶格的单元格。
2021-08-16 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other cond-mat.soft
Soft topological modes protected by symmetry in rigid mechanical metamaterials
拓扑力学可以在机械超材料中实现软模式，其中粒子运动的自由度的数量通过粒子间相互作用提供的约束来精细地平衡。但是，实体对象通常是超静态的（或过约束的）。在这里，我们将展示如何对称性可以应用到生成拓扑软模式，即使在过度约束，刚性系统。为此，我们考虑基于非正方形矩阵的非厄米拓扑结构，并设计了一种超静定材料，在该材料中，受拓扑结构和对称性保护的低能模式出现在界面处。我们的方法提出了一种新的方法，在鲁棒的无标度架构中产生柔软度，适合于小型化到纳米级。
2021-02-23 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
A Robust "Shrink-and-wrap" Piecewise Construction Transforms 3-Dimensional Mesh Structures into Mechanical Metamaterials
Stony Brook University, the State University of New York (SUNY)（纽约州立大学石溪分校）；Department of Biomedical Engineering（纽约州立大学石溪分校工程与应用科学学院）；College of Engineering and Applied Sciences (CEAS)；Stony Brook University, SUNY
本研究提出一种“收缩包裹”分段构造方法，可将任意三角形或四面体网格结构转化为具有负泊松比和局部可编程力学性质的拉胀力学超材料，并适用于3D打印。
2026-09-29 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Dual Topological Channels in a Programmable Mechanical Metamaterial
University of Vermont（佛蒙特大学）
本研究在单一力学超材料中实现静态与动态双拓扑通道共存，通过转子链晶格独立编程，并在共同临界几何处同时发生拓扑相变，实验验证了双通道局域化。
2026-09-28 cond-mat.mtrl-sci
Neuromorphic metamaterials for mechanosensing and perceptual associative learning
表现出神经机械功能的物理系统有望使结构具有直接编码的自主性和智能。我们报告一类神经形态的超材料体现生物启发mechanosensing，记忆和学习功能，通过利用机械不稳定性和灵活的忆阻材料。我们的原型系统包括一个多稳态的超材料，其超材料单元过滤器，放大器，并将外部机械输入大面积转换为简单的电信号，使用压阻。我们使用非易失性柔性忆阻器记录这些机械转换的信号，这些忆阻器记住机械输入的序列，提供了一种在可测量的材料状态中存储空间分布的机械信号的方法。由连续机械输入引起的累积忆阻变化允许我们将Hopfield网络物理编码到我们的神经形态超材料中。这个物理网络学习一系列外部空间分布的输入模式。最重要的是，输入到我们的神经形态超材料中的学习模式可以从我们的忆阻器的最终累积状态中检索出来。因此，我们的系统表现出无需监督训练即可学习的能力，并以最小的外部开销保留空间分布的输入。我们的系统的体现机械感测，记忆和学习能力建立了一个途径的合成神经形态超材料，使学习触摸般的感觉，覆盖大面积的机器人，自主系统，可穿戴设备和变形结构。
2022-03-18 cond-mat.mtrl-sci cs.ET
Nonreciprocal topological kink-wave propagation in mechanical metamaterials
Université Marie et Louis Pasteur, SUPMICROTECH, Institut FEMTO-ST（玛丽和路易·巴斯德大学，SUPMICROTECH，FEMTO-ST研究所）；IMDEA Materials Institute（IMDEA材料研究所）；Imperial College London（伦敦帝国学院）
该研究通过机械元材料实现非 reciprocal 的拓扑 kink 波传播，利用非线性机制产生单向传播的 soliton-like 激励，展示了非线性拓扑功能的实现方法。
2026-02-04 cond-mat.mtrl-sci
Examining the Impact of Asymmetry in Lattice-Based Mechanical Metamaterials
基于晶格的机械超材料可以通过修改底层介观结构来针对各种各样的应用进行定制。然而，大多数现有的晶格模式以对称性为出发点。我们发现，非对称晶格模式可以更有可能比对称晶格模式具有一定的机械性能。为了直接比较非对称与对称晶格布置的效果，定义了受约束的设计空间。生成设计过程用于在设计空间内生成对称和非对称晶格图案。不对称的晶格模式具有不同的超材料属性空间从对称的晶格模式。确定主要存在于不对称晶格模式中的关键设计特征。我们发现，不对称的晶格模式与这些功能（箭头和蜘蛛节点）更有可能引起更广泛的泊松比和更大的剪切刚度值，分别相比，晶格模式没有这些功能。此外，我们表明，对称性可以发挥作用，阻碍多个功能的影响时，存在。这项工作提供了见解的好处，使用非对称晶格模式在选择超材料设计应用。
2022-03-24 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Hyperbolic metamaterials with extreme mechanical hardness
双曲型超材料（Hyperbolic Metamaterials，简称HALF）是一种具有高度各向异性的光学材料，它的性能取决于光的传播方向。它们对于从航空航天到汽车，从无线到医疗和物联网等众多应用都变得至关重要。这些应用通常在恶劣的环境中工作，或者可能承受显著的外部应力。这就要求材料具有增强的光学性能以及可定制的机械性能。根据它们的具体用途，可能需要硬材料和超软材料，尽管与光学双曲线响应的组合很少被提及。在这里，我们展示了在同一（Meta）材料中结合光学双曲面和可调机械性能的可能性，重点是极端机械硬度的情况。使用第一原理和有效介质理论的高通量计算，我们探索了一大类在近红外和可见光范围内具有双曲光学活性的层状材料，并且我们在1800多种过渡金属岩盐晶体组合中确定了数量减少的超软和硬阻碍。一旦通过实验验证，这类新的超材料可能会促进以前未开发的光学/机械应用。
2021-02-22 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Spectral Design of Active Mechanical and Electrical Metamaterials
活性物质在生物学中无处不在，在材料科学中变得越来越重要。虽然许多活性体系已经在实验和理论上进行了详细的研究，但功能活性材料的一般设计原则仍然缺乏。建立在最近开发的线性响应优化（LRO）框架，我们在这里证明了非线性有源机械和电路的频谱可以设计类似的线性无源网络。
2020-03-21 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
A characteristic lengthscale causes anomalous size effects and boundary programmability in mechanical metamaterials
机械超材料的架构旨在利用几何形状，非线性和拓扑结构来获得高级功能，如形状变形，可编程性和单向传播。虽然一个纯粹的几何框架成功地捕捉到了理想条件下的小系统的物理特性，但大系统或异构驾驶条件基本上仍未被探索。在这里，我们发现了一个广泛的类的超材料，如auxetics，形状改变或拓扑绝缘体的力学强异常：其刚度与系统大小的非单调变化，以及纹理边界的能力，完全改变其属性。这些引人注目的特征源于基于旋转的变形（与小系统相关）和普通弹性之间的竞争，并由特征长度尺度控制，该尺度完全可由建筑细节调节。我们的研究为在热力学极限下设计、控制和编程超材料力学提供了新的前景。
2017-08-15 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Inverse Design of Discrete Mechanical Metamaterials
呈现负弹性模量、带隙振动光谱或拓扑保护模式的机械和声子超材料能够精确控制结构和声学功能。虽然在实验和理论表征方面取得了很大进展，但具有任意可编程光谱特性和模式局部化的机械超材料的逆设计仍然是一个未解决的问题。在这里，我们提出了一个灵活的计算逆设计框架，允许在离散声子超材料结构的频谱中的几乎任意位置的一个或多个间隙的有效调谐。底层算法直接优化弹性网络的线性响应，适用于有序和无序结构，在2D和3D中有效扩展，并可与各种数值优化方案相结合。我们通过设计机械带隙开关来说明这种方法的广泛实用潜力，该开关响应于外部施加的刺激（例如剪切或压缩）来打开和关闭预编程的光谱间隙。我们进一步表明，所设计的结构可以主机拓扑保护的边缘模式，并通过显式三维有限元模拟连续弹性实验相关的材料参数验证数值预测。一般来说，这种基于网络的逆向设计范式提供了一个直接的途径，制造声子超材料，DNA折纸结构和拓扑电路，可以实现广泛的静态和动态目标功能。
2019-05-08 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Classification of topological phonons in linear mechanical metamaterials
拓扑声子晶体，类似于它们的电子对应物，其特征在于体积-边缘对应，其中材料的内部决定稳定的表面或边界模式的存在。在机械设置中，这样的表面模式可以用于各种应用，例如波导、振动隔离或静态特性的设计，例如系统的部件自由移动的稳定软盘模式。在这里，我们提供了一个基于局部对称性的拓扑声子分类方案。我们导入和调整非相互作用电子系统的分类，并将其嵌入到机械装置中。此外，我们提供了一组广泛的例子来说明我们的计划，并可用于生成新的模型在未开发的对称类。我们的工作统一了最近大量的拓扑声子文献，并为拓扑表面模式在机械超材料中的未来应用铺平了道路。
2016-04-04 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Micro-scale Mechanical Metamaterial with a Controllable Transition in the Poisson's Ratio and Band Gap Formation
本文提出一种新型微尺度力学超材料，可通过磁场远程控制其在强烈拉胀与高度正泊松比构型间转变，并同步调控声子带隙形成，为生物医学和防护设备等应用提供了可调特性。
2023-03-05 cond-mat.mtrl-sci
A Substructure Perturbation Method for Systematic Design of Mechanical Metamaterials with Programmed Functionalities
针对机械超材料设计难度大、计算成本高的问题，提出子结构扰动方法（SSPM），可高效设计可编程变形的超材料，速度比现有最先进方法快两个数量级，且经实验验证有效。
2024-09-26 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Bending dominated response of layered mechanical metamaterials alternating pentamode lattices and confinement plates
对由五模网格和加劲板交替排列而成的单层和多层体系的弹性响应进行了数值研究。进行有限元模拟，以分析这种结构的有效弹性模量的依赖于合适的纵横比，其特征在于在微观和宏观尺度的通用五模层的几何形状，和分层结构的层压方案。给出的数值结果突出表明，所研究的结构表现出弯曲为主的响应，并能够实现低的有效剪切模量值，同时，高的有效压缩模量值。我们得出的结论是，限制五模晶格可以被视为一种新型的超材料，非常适合于地震隔离和冲击保护的目的。它们的弹性响应可以通过几个几何和机械设计变量进行微调。
2019-11-30 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Geared topological metamaterials with tunable mechanical stability
拓扑绝缘体的发现动摇了绝缘体和导体的分类，拓扑绝缘体在边缘处导电，但在主体中不导电。在力学中，指定一种材料是绝缘的还是导电的，就等于问它是刚性的还是柔性的。虽然已经提出了显示拓扑松弛模式的机械结构，但它们都容易受到全局崩溃的影响。在这里，我们设计和构建机械超材料，是稳定的，但能够窝藏保护边缘和体模，类似于那些在电子拓扑绝缘体和Weyl半金属。要做到这一点，我们利用齿轮组件，不像弹簧连接的点质量，包括平移和旋转自由度。全局结构稳定性是通过消除延伸通过组件的集体齿轮旋转的几何挫折来实现的。机械模式的拓扑鲁棒性使它们在从工程宏观结构到微机器中潜在使用的齿状微转子网络的尺度上具有吸引力。
2016-10-04 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Active magneto-mechanical metamaterial with the wave transmission and Poisson's ratio controlled via the magnetic field
本文提出一种可通过外部磁场大小和方向远程调控的磁力机械超材料，实现了泊松比从强拉胀到正值的连续切换以及声子带隙的主动调控，为可远程控制的机器人和智能减振器提供了新途径。
2025-03-10 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Tuning the mechanical behaviour of additively manufactured metamaterials with twinning and meta-harmonics
本研究揭示了孪晶使BCC晶格从弯曲转向拉伸主导，提升刚度与强度，并受双峰谐波微观结构启发设计元谐波晶格，通过控制孪晶界异质分布放大局部轴向应变能，使刚度进一步增强206%，释放了多孔材料潜力。
2025-03-05 cond-mat.mtrl-sci
Soft mechanical metamaterials with transformable topology protected by stress caching
本文提出基于广义kagome晶格和形状记忆聚合物的可变换拓扑机械超材料，利用全局运动切换拓扑态，并通过形状记忆相变实现“应力缓存”，使拓扑响应完全恢复。
2022-08-16 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Mechanical Characterization and Inverse Design of Stochastic Architected Metamaterials Using Neural Operators
Northwestern University（西北大学）；Brown University（布朗大学）；California Institute of Technology（加州理工学院）
提出基于DeepONet的端到端科学机器学习框架，利用稀疏原位实验数据学习随机微架构超材料结构与非线性力学响应的映射，并实现误差5–10%的逆向设计。
2023-12-10 cond-mat.mtrl-sci cs.AI
Geometrically frustrated, mechanical metamaterial membranes: Large-scale stress accumulation and size-selective assembly
该研究探究几何阻挫对机械超材料薄膜的作用，通过理论与模型发现其应变能幂律增长更弱，自限制组装尺寸范围较弹性薄膜提升数倍。
2024-06-24 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Magneto-thermomechanically triggered active mechanical metamaterials -- untethered, reversible, reprogrammable transformations with shape locking
本文提出一种磁-热-机械协同方法，利用形状记忆聚合物与结构失稳实现无系绳、可逆、低功耗的可重编程变形和形状锁定，为主动超材料与软体机器人设计开辟新路径。
2022-07-07 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
A jigsaw puzzle metamaterial concept
受自然界局部自适应原理的启发，提出了平面模块化机械超材料的概念。这种超材料由类似于拼图的相同碎片组成。它们在组件内的旋转在结构行为和机械互锁方面提供了相当大的灵活性，从而能够重新组装。具有对角椭圆形开口的瓷砖设计允许我们改变弹性特性-从刚性到顺应性，具有正、零或负泊松比。对增材制造样本的实验测试结果证实，可以使用优化方法并以有限元分析为核心来准确设计装配性能。
2018-09-10 cond-mat.mtrl-sci
Designing Perturbative Metamaterials from Discrete Models: From Veselago lenses to topological insulators
离散模型提供了复杂物理现象的简洁描述，如负折射、拓扑绝缘体和安德森局域化。虽然有多种工具可以获得演示特定现象的离散模型，但找到复制所需非平凡离散模型行为的超材料设计仍然是一个挑战。在这里，我们解决了这个问题，通过引入一类新的超材料，我们称之为“微扰超材料”，由弱相互作用的单位细胞。弱相互作用使我们能够将离散模型的每个元素（单个质量和弹簧）与超材料的单个几何特征相关联，从而实现系统的设计过程。我们通过设计实现Veselago透镜、零色散带和拓扑绝缘体的二维机械超材料来展示我们的方法。虽然我们选择的例子是在机械领域内，相同的设计原理可以应用于声学，热，光子超材料组成的弱相互作用的单位细胞。
2016-12-07 cond-mat.mtrl-sci
Multi-step self-guided pathways for shape-changing metamaterials
由一系列重新配置组成的多步途径是各种自然和人造系统的核心。这种途径在自我引导过程中自主地执行，例如蛋白质折叠和自组装，但需要宏观机械系统中的外部控制，例如，机器人中的执行器或折纸中的手动折叠。在这里，我们介绍了形状变化的机械超材料，表现出自我引导的多步路径，以响应全球统一的压缩。他们的设计将强烈的非线性机械元件与允许一系列拓扑重构的多模态架构相结合，即，由内部自接触的形成引起的拓扑结构的修改。我们通过数字化制造实现了这种超材料，并表明可以通过合理设计非线性机械元件来控制路径和最终构型。我们还证明，自我接触抑制路径错误。最后，我们演示了如何分层架构允许扩展不同的重新配置步骤的数量。我们的工作建立了设计机械途径的一般原则，为自折叠介质，多能材料和柔韧设备开辟了新的途径，例如，可伸缩电子产品和软机器人。
2018-10-17 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Unravelling Metamaterial Properties in Zigzag-base Folded Sheets
使用折纸折叠技术从一张平面材料创建复杂的空间物体已经引起了科学和工程界的关注。在目前的工作中，我们采用部分折叠锯齿形条的几何特性，以更好地描述已知的锯齿形/人字形基折叠片超材料，如三浦ori的运动学。受单自由度锯齿形条带运动学的启发，我们引入了一类由不同尺度的锯齿形条带组成的细胞折叠片状机械超材料，其中该类图案将折纸折叠技术与kirigami相结合。采用分析和数值模型，我们研究的折叠材料的关键力学性能。特别是，我们表明，根据几何形状，这些材料表现出负和正的面内泊松比。通过扩展Miura-ori的设计空间，我们这类模式可能适用于广泛的应用，从机械超材料到小型和大型的可部署结构。
2015-06-03 cond-mat.mtrl-sci
Mechanical coupling effects of 2D lattices uncovered by decoupled micropolar elasticity tensor and symmetry operation
轴向剪切和轴向弯曲等机械耦合在设计具有方向控制的传感器和致动器中的输入和输出负载的主动机械超材料中具有很大的潜力。然而，目前的特设设计的机械耦合没有弹性的理论支持，不能提供设计准则的机械耦合与晶格几何形状。此外，机械耦合效应和几何对称性之间的相关性还没有清楚地了解。在这项工作中，我们系统地搜索所有可能的机械耦合在二维晶格结构中，通过确定非零对角项的分解微极弹性张量。我们还通过对分解的微极弹性张量应用对称操作，将机械耦合与二维晶格的点群对称性相关联。解耦的微极本构方程揭示了二维晶格结构的八种耦合效应。解耦后的微极弹性张量的对称运算揭示了力学耦合与点群的相关性。我们的研究结果可以加强机械超材料的设计，其潜在应用领域包括传感器，致动器，软机器人和弹性/声波引导和热管理的有源超材料。
2022-05-04 cond-mat.mtrl-sci
Wireless Electronic-free Mechanical Metamaterial Implants
针对现有无线智能植入物被动运行且需额外电子模块传输数据的问题，提出整合机械超材料与纳米能量收集技术的创新无线力传感范式，展示了一体化、自供电、无电子的超材料植入物，通过实验验证其在力传感中实现直接无线通信的可行性与潜力。
2024-12-01 cond-mat.mtrl-sci physics.med-ph
Fully-Polarized Topological Isostatic Metamaterials in Three Dimensions
本文在三维等静定结构中通过消除力学外尔线实现全极化拓扑力学相，使软模仅出现在特定表面并产生非对称刚度，为设计柔软自适应超材料提供新途径。
2024-09-05 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Cellular automata inspired multistable origami metamaterials for mechanical learning
本文受元胞自动机启发，提出基于多稳态折纸超材料与储备池计算的新型计算框架，无需逻辑门网络即可实现数字识别、手写识别和5位记忆等高层级计算任务。
2023-05-31 cond-mat.mtrl-sci
Mechanical Cloak via Data-Driven Aperiodic Metamaterial Design
机械斗篷是一种材料，可以操纵物体周围的弹性反应，使它们与均匀的环境无法区分。通常，基于材料参数变换的方法用于设计光学、热和电斗篷。然而，它们不适用于设计机械斗篷，因为连续力学方程在一般坐标变换下不是形式不变的。因此，现有的机械斗篷设计方法迄今为止仅限于形状简单的狭窄空隙。为了应对这一挑战，我们提出了一个系统的，数据驱动的设计方法来创建由非周期性超材料组成的机械斗篷，使用一个大型的预先计算的单元格数据库。我们的方法是灵活的，允许设计各种边界条件，多种载荷，不同形状和数量的空隙，以及不同的均匀环境的斗篷。该方法可以同时优化隐身衣的拓扑结构和性能分布。与传统的固定形状解决方案相比，这导致整体更好的隐身性能，并提供无与伦比的多功能性。对3D打印结构的实验测量进一步证实了所提出方法的有效性。我们的研究说明了数据驱动方法在快速响应新的设计方案和解决与功能结构的多尺度设计相关的计算挑战方面的优势。它可以推广到其他需要异质属性分布的应用，如软机器人和植入物设计。
2021-12-07 cond-mat.mtrl-sci cs.CE physics.app-ph
Variable Dual Auxeticity of the Hierarchical Mechanical Metamaterial composed of Re-entrant Structural Motifs
在这项工作中，提出了一种新的分层机械超材料，是由凹入桁架晶格元素。它示出，该系统可以变形非常不同，可以表现出一个通用的程度的拉胀行为取决于其铰链的厚度的一个小的变化。此外，取决于哪个层级正在变形，整个结构可以表现出与独特的变形机制相对应的不同类型的拉胀行为。这导致双拉胀结构，其中两种拉胀机制之间的相互作用决定了系统的演化。它还表明，根据特定的变形模式，它是可以观察到一个非常不同的行为的结构中的波的频率，可以通过系统传输。事实上，它表明，即使是一个非常小的变化，在系统的参数设计可能会导致一个显着不同的带隙形成，可以是有用的可调谐振动阻尼器或传感器的设计。控制拉胀程度的可能性也使得所提出的超材料从保护和生物医学装置的角度来看非常有吸引力。
2022-11-11 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Topologically Protected Steady Cycles in an Ice-Like Mechanical Metamaterial
竞争的基态可能导致拓扑约束的激发，如畴壁或准粒子，其支配亚稳态及其动力学。畴壁和更奇异的拓扑激发在磁性系统中得到了很好的研究，例如人工自旋冰，其中纳米级磁偶极子被放置在几何阻挫晶格上，从而产生高度简并的基态。我们提出了一个机械自旋冰构造从一个松散的，正方形的单位晶格。我们比较畴壁激发，在这种超材料中出现的磁性对应物，发现新的行为出现在这个过阻尼机械系统。通过调整晶胞内部元素的比例，我们控制了内部畴壁的曲率和传播速度。我们改变畴壁形态从一个二元的，严格的自旋状制度，一个更连续的，弹性的制度。在弹性制度，我们注入，操纵，并通过纹理迫使在边界驱逐域壁。该系统具有动态滞后，我们发现一个一阶动力学转变的驱动频率的函数。我们展示了一个强制协议，产生多个，拓扑不同的稳定周期，这是保护他们的内部域壁安排的差异。这些不同的稳定周期迅速扩散的复杂性，所施加的强制纹理的增加，从而表明，这样的机械系统可以作为有用的模型系统，研究材料的多稳态，玻璃化，和记忆。
2021-05-08 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Spectroscopic evidence for negative electronic compressibility in a quasi-three-dimensional spin-orbit correlated metal
负压缩性是开放或非平衡系统的热力学不稳定性的标志。在由多个相互耦合的子系统组成的量子材料中，如果一个子系统的压缩性被其他子系统的正压缩性抵消，则该子系统的压缩性可以是负的。到目前为止，这种效应的表现形式仅限于低维稀电子系统。在这里，我们提出的证据，从角分辨光电子能谱（ARPES）的负电子压缩性（NEC）在准三维（3D）自旋轨道相关金属（Sr 1-xLax）3 Ir 2 O 7。电子填充的增加伴随着化学势的异常降低，如深价带的整体运动所示。这种异常，暗示NEC，被证明是主要由导带的能量降低，相关的带隙减少驱动。我们的发现指出了一个独特的途径，走向NEC的一个未知领域，具有独特的潜力，在低功率纳米电子和新型超材料的应用散装相关金属。
2015-04-26 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el cond-mat.supr-con
A Design Framework for Compositional Hierarchical Mechanical Metamaterials via a Qualitative Unit-Cell Library
The University of Alabama（阿拉巴马大学）；University of Illinois at Urbana-Champaign（伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校）
本文提出了一种两步设计框架，用于设计具有复合级联结构的机械元材料，通过参数化弹性矩阵优化设计域并选择合适的微观结构几何形状以满足所需的运动学或刚度要求。
2026-05-11 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Controlling auxeticity in curved-beam metamaterials via a deep generative model
本文提出用曲梁替代直梁以在不改变单元胞尺寸的情况下控制凹角六边形超材料的泊松比，并引入结合引导结构和目标性能的深度生成模型，实现具有特定力学性能的曲梁超材料单元胞的逆向设计与准确生成。
2023-01-20 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other cond-mat.soft
Controlling the Deformation of Metamaterials: Corner Modes via Topology
拓扑超材料已经侵入了机械世界，展示了有限频率下的声学隐身和波导，以及零频率下可变的、可调谐的弹性响应。零频率拓扑状态以前依赖于麦克斯韦条件，即系统具有相等数量的自由度和约束。在这里，我们表明，否则刚性周期性的机械结构描述的地图与非平凡的拓扑度（概括的缠绕数介绍凯恩和Lubensky），创建，指导和保护模式的边界。我们介绍了一个模型系统组成的刚性四边形连接通过自由铰链在他们的角落在棋盘图案。这种散装结构产生一个拓扑线性变形模式，指数局部化在一个角落，通过实验原型和数值研究。与麦克斯韦晶格不同，这些结构选择单一的所需模式，控制可变刚度和机械放大，可以以任何规模并入设备。
2018-04-20 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Auxetic Granular Metamaterials
本研究制备了基于内凹机制的拉胀颗粒构成的负泊松比颗粒超材料，发现其比普通颗粒材料更易屈服、流动更顺畅，能在复杂受限结构中促进流动，模糊了复杂流体与超材料的界限，可应用于颗粒材料加工运输等场景。
2023-10-05 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.app-ph
