Sonic Landau-level lasing and synthetic gauge fields in mechanical metamaterials
机械应变可以导致合成规范场，其控制石墨烯片中的电子以及光子晶体中的光的动力学。在这里，我们将展示如何设计一个类似的合成规范场的晶格振动。我们的方法依赖于两种策略之一：剪切质量和弹簧的蜂窝晶格或图案化其局部材料刚度。结果，产生了具有离散朗道能级的振动光谱。通过调节规范场的强度，我们可以控制超材料中的态密度和声音的横向空间限制。我们还使用规范场来设计波导，在波导中，声音传播稳健，作为拓扑极化的变化，发生在沿域壁的大部分的超材料的结果。通过引入耗散，我们可以选择性地增强畴壁束缚拓扑声音模式，该特征可以用于通过辐射的受激发射的声音放大的设计-SASER，激光器的机械类似物。
2016-10-20 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft
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
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
The Extreme Mechanics of Viscoelastic Metamaterials
本文综述了柔性超材料中力学失稳与粘弹性耗散的相互作用，揭示其对屈曲和突跳型动态行为的关键作用，并提出通过粘弹性空间图案化实现加载速率相关的新型超材料设计。
2022-06-20 cond-mat.soft
A Modular Origami-inspired Mechanical Metamaterial
具有复杂微结构的机械超材料具有梯度刚度、负泊松比和能量吸收等优良的物理特性。近年来，折纸术在超材料的几何结构方面提供了许多启示。在这里，我们提出了一个模块化的折纸启发可重构超材料。该方法利用由Sarrus连杆机构和平面四杆机构组成的可变换模块，并将模块按照镶嵌图案连接以形成周期性结构。讨论了异向介质的不同排列方式、不同模量形状和不同网格形式，并对异向介质的承载能力和刚度变化进行了实验分析。所提出的材料可用于在宽范围的长度尺度上实现可重构结构或架构。
2020-12-17 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
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
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
Curvature screening in draped mechanical metamaterial sheet
本文通过引入辅助标量类规范场建立曲面超材料薄片的连续弹性理论，并在正负曲率基底上验证膨胀与剪切超材料的力学行为，数值模拟与分析预测吻合良好。
2023-10-12 cond-mat.soft physics.app-ph
Multistable Topological Mechanical Metamaterials
在过去的十年中，物质的量子拓扑态的概念已经被广泛用于创建具有拓扑保护功能的机械超材料，例如单向边缘状态和拓扑极化弹性。麦克斯韦晶格代表了一类拓扑机械超材料，当它们被拓扑极化时，它们在边缘/界面处表现出独特的鲁棒机械特性。在这些材料中实现拓扑相变将使这些边缘状态的开关成为可能，从而为编程机械响应和波传播提供前所未有的机会。然而，由于机械和几何约束，这种转变在麦克斯韦拓扑超材料中的实验控制极具挑战性。在这里，我们创建了一个麦克斯韦晶格与量子单元实现拓扑状态之间的同步转换，并证明了显着不同的刚度之间的晶格变换拓扑相位理论和实验。通过将多稳态与拓扑相变相结合，这种超材料首次不仅表现出快速可逆变化的拓扑保护机械特性，而且还为创新机械计算架构和可重编程神经形态超材料提供了丰富的设计空间。此外，我们使用多材料3D打印设计和制造了拓扑Maxwell晶格，并展示了通过增材制造实现小型化的潜力。这些设计原理适用于可变换拓扑超材料的各种任务，如可切换的能量吸收，冲击缓解，波剪裁，神经形态超材料，和受控变形系统。
2022-07-12 cond-mat.soft physics.app-ph
Automatic Design of Mechanical Metamaterial Actuators
机械超材料致动器利用单个3D打印元件中编码的建筑特征实现预定的输入-输出操作，从而消除了组装不同结构部件的需要。尽管该领域取得了快速进展，但仍然需要有效的策略来优化用于各种功能的超材料设计。我们提出了一种计算方法的机械超材料致动器的自动设计相结合的增强蒙特卡罗方法与离散元模拟。选定的机械超材料致动器的3D打印表明，机器生成的结构可以达到高效率，超过人类设计的结构。我们还表明，通过训练深度神经网络来设计高效的执行器是可能的，无需进行冗长的机械模拟。这里设计的基本致动器可以结合起来，为无数的工程应用生产任意复杂的超材料机器。
2020-02-06 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Textile hinges enable extreme properties of mechanical metamaterials
本文提出通过制造和集成纺织铰链，为创建具有类机构行为的大型结构化机械超材料提供了可扩展平台，并结合运动学优化工具实现了极端的形状变形响应。
2024-08-28 cond-mat.soft physics.app-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
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
Breaking Mechanical Holography in Combinatorial Metamaterials
本文研究了组合机械超材料中中心对称块诱导的全息序及其体-边界耦合特性，并利用打破全息序的块实现了对整体边界形变纹理的设计，揭示了兼容超材料数量在不同情况下的指数缩放规律。
2025-06-10 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Scalable 3D printing for topological mechanical metamaterials
机械超材料是被设计为表现出奇异响应的结构，例如表面处的拓扑软模式。在这里，我们通过将球和弹簧模型转换为物理原型来探索这些拓扑结构的单材料3D打印。通过单轴压缩具有边缘刚性的3D打印固体，我们观察到表面始终比主体柔软。然而，我们也发现，两个相对的表面中的任何一个都可以是最软的，与线性模型的拓扑鲁棒预测相反。电子元模拟使我们能够弥合这一差距。我们探讨了印刷几何形状和变形幅度如何影响表面柔软度。对于小应变，我们发现定性协议与球和弹簧模型，但令人惊讶的是，非线性变形可以选择哪一边是最软的。我们的工作将真实3D材料的拓扑力学预测及其在缓冲应用中的潜力联系起来。
2022-06-23 cond-mat.soft
Topological modes bound to dislocations in mechanical metamaterials
机械超材料是一种具有特殊性质的人工结构，如负泊松比、双稳态或可调振动性质，这些性质起源于它们的晶胞几何结构。这种不寻常行为的核心通常是一种软模式：一种不会显著拉伸或压缩组成元素之间联系的运动。当由电机或外部磁场激活时，软模式成为机器人和智能材料的构建模块。在这里，我们证明了拓扑软模式的存在，可以定位在所需的位置在超材料，同时对广泛的结构变形或材料参数的变化是强大的。这些受保护的模式，局部位错，是在电子系统中的缺陷绑定到拓扑状态的机械模拟。我们创建物理实现的拓扑模式在原型的戈薇格建成了刚性三角板。我们从数学上表明，它们起源于两个Berry阶段之间的相互作用：伯格斯矢量的位错和拓扑极化的晶格。我们的工作为分子机器人或信息存储和读出的工程拓扑保护纳米机械结构铺平了道路。
2015-04-23 cond-mat.soft
Analytic analysis of auxetic metamaterials through analogy with rigid link systems
先进增材制造技术的最新进展刺激了机械超材料领域的发展。在这个主题中特别感兴趣的一个领域是通过弹性不稳定性产生拉胀材料特性。本文着重于一种新的方法，在分析拉胀超材料通过类比与刚性链接晶格系统。我们的分析方法给出了非常好的协议与有限元模拟的弹性不稳定性和后屈曲行为，包括泊松比的发病。对晶格内机制与其力学行为之间关系的深入了解有可能指导基于晶格的超材料的合理设计。
2017-03-15 cond-mat.soft
Programming bistability in geometrically perturbed mechanical metamaterials
本文提出通过单元胞几何扰动与胞间约束，将普通非双稳态超材料转化为双稳态系统，并建立平面剪纸超材料设计与优化框架。
2024-08-08 cond-mat.soft
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
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
Nonlinear force response of modular lattice-based metamaterials
The University of Chicago（芝加哥大学）；University of Colorado, Boulder（科罗拉多大学博尔德分校）
该研究针对模块化晶格超材料，利用其非线性屈曲行为，通过串联单元获得单个单元不具备的力响应，发现其循环载荷下的训练行为，为非线性应力响应设计提供新方向。
2026-09-02 cond-mat.soft
Harvesting Deformation Modes for Micromorphic Homogenization from Experiments on Mechanical Metamaterials
本研究针对微观形态均匀化框架需预先给定长程关联涨落场的问题，开发了全场微观形态集成数字图像相关技术，通过虚拟与实验图像识别蜂窝状超材料的三部分运动学分解量，为超材料力学行为预测与工程设计提供实验支撑。
2024-06-19 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
Synthetically Non-Hermitian Nonlinear Wave-like Behavior in a Topological Mechanical Metamaterial
本文通过大变形准静态模拟与实验研究二维拓扑 Maxwell 晶格，发现谐波产生、局域畴切换和孤立波等非线性波现象，并将其映射到非厄米非互易一维波动方程，揭示二维拓扑变形场与一维主动系统非线性动力学的等价性，拓展了拓扑力学超材料在智能材料与力学逻辑中的应用潜力。
2022-07-19 cond-mat.soft 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
Mechanical modeling of innovative metamaterials alternating pentamode lattices and confinement plates
本研究探讨一类新型的机械超材料交替五模晶格和加劲板的力学行为。这种晶格的晶胞由面心晶胞的子晶格组成，面心晶胞通常在关于五模材料的当前文献中分析。所研究的系统表现出只有三个软变形模式在无限小拉伸为主的制度，而不是五个零能量模式的无约束五模晶格。我们开发的垂直和弯曲刚度特性的分析公式，并研究这些量的主要设计参数的依赖关系：晶格常数，固体体积分数，杆的横截面积，和层厚度。一个值得注意的结果是，所分析的结构的有效压缩模量等于三分之二的杨氏模量的最硬的各向同性弹性网络目前在文献中，伴随着零刚度对无穷小的剪切和扭转机制。使用拟议的超材料作为新型的地震隔离设备和冲击保护设备进行了讨论，通过绘制与替代设备的响应比较已经可用或正在开发中。
2019-11-30 cond-mat.soft physics.app-ph
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
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
Multi-functional Twisted-Kagome lattices: Tuning by Pruning Mechanical Metamaterials
本文研究了随机稀释晶格中的声子和弹性响应，该随机稀释晶格是通过将具有体积模量$B=0$和剪切模量$G>0$的扭曲的kagome晶格与具有$B>0$和$G>0$的广义无扭曲的kagome晶格或具有$B>0$和$G=0$的蜂窝晶格组合（通过添加次近邻键）而构建的。这些晶格表现出类似堵塞的临界端点，在该临界端点处，$B$、$G$或$B$和$G$两者从零不连续地跳跃，而剩余模量（如果有的话）开始从零连续地增长。成对的这些堵塞点由连续的刚性渗透转变线连接，在该连续的刚性渗透转变线处，$B$和$G$都开始从零开始连续增长。泊松比和$G/B$可以在它们的物理范围内通过随机稀释以类似于随机堵塞晶格中的“通过修剪进行调谐”的方式连续调谐。这些晶格可以用现代技术生产，例如3D打印，用于构建超材料。
2020-04-21 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Emergent Nonlocal Combinatorial Design Rules for Multimodal Metamaterials
本文提出一种类似转移矩阵的框架，用于设计组合力学超材料中的多个软模态，揭示了多模态设计需要约束简并及非局域全局约束规则，为多模态超材料的系统设计迈出第一步。
2023-12-20 cond-mat.soft physics.app-ph
Topology shared between classical metamaterials and interacting superconductors
超对称性已经在由刚度矩阵和非相互作用量子哈密顿描述的超材料的正常模式之间的线性水平上被研究。经典和量子之间的联系是通过每个问题所涉及的矩阵来实现的。最近，通过Poincaré-Hopf指数定义拓扑指数，发现了对非线性力学系统行为的洞察。事实证明，由于数学上的相似性，这个拓扑指数显示了一种从经典力学接近超对称量子理论的方法。利用这种数学上的相似性，我们建立了等静压机械超材料和超对称量子系统之间的拓扑连接，如电子耦合到金属和超导体中的声子。首先，我们定义$Q_{net}$的均衡力学系统，计数的最小数目的零能量配置。其次，我们写了一个描述金属或超导体与非简谐声子相互作用的超对称哈密顿量。这个哈密顿量有一个Witten指数，一个拓扑不变量，可以捕捉玻色子和费米子零能态的平衡。我们能够连接这两个系统，表明$Q_{net}=W$在非常一般的条件下。我们的结果表明：（1）经典超材料可以借助超对称性来研究相互作用量子系统的拓扑结构;（2）通过对声子的非谐性和Majorana费米子与声子之间的耦合进行微调，可以实现与经典力学系统具有相同拓扑结构的超对称量子系统.
2022-07-20 cond-mat.soft cond-mat.str-el quant-ph
Randomly stacked open-cylindrical shells as a functional mechanical device
该研究以随机堆叠的开口圆柱壳作为无序力学超材料，结合实验与模拟发现其受压时可通过壳的变形位移、卡扣配合和摩擦吸收存储机械能，且性能稳定可由摩擦和几何调控，证明柔性组件重排可实现多样可预测的力学响应。
2023-01-19 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.app-ph
