Design of pseudo-mechanisms and multistable units for mechanical metamaterials
机械--由完美的铰链连接的刚性元件的集合，这些铰链表现出零能量运动--激发了各种机械超材料的设计。我们显着扩大了这个设计空间，考虑伪机构，集合弹性耦合元件，表现出非常低的能量成本的运动。我们表明，他们的几何设计一般是不同于那些真正的机制，从而开辟了一个大的，几乎未开发的设计空间。我们通过设计具有双稳态和三稳态能量景观的构建块来进一步扩展这个空间，通过3D打印实现这些，并展示这些如何形成多稳态超材料的单位单元。
2021-06-05 cond-mat.soft
Bistable Auxetic Mechanical Metamaterials Inspired by Ancient Geometric Motifs
弹性材料在拉伸时变得更厚而不是更薄，表现出不寻常的负泊松比，非常适合设计形状转换超材料。然而，目前的拉胀设计通常是单稳态的，并且在负载移除时不能保持转化的形状。在这里，古代几何图案排列在正方形和三角形网格的启发，我们介绍了一类可切换的建筑材料表现出同时的膨胀性和结构双稳态。材料的概念是通过在橡胶片上穿孔各种切割图案来实验性地实现的，从而创建了与柔性铰链连接的旋转单元的网络。超材料的性能通过力学测试进行评估，并通过一组连贯的有限元模拟进行准确预测。一组丰富的力学现象的讨论如下阐明的主要设计原则，管理双稳态。
2016-12-18 cond-mat.soft
Sequential Snapping and Pathways in a Mechanical Metamaterial
具有记忆元素、磁滞子的材料表现出记忆效应。这些歇斯底里通常很难直接观察或控制。在这里，我们介绍了一种机械超材料，其中细长的元素，相互作用的推动器，作为机械滞后。我们展示了我们如何可以调整这些元素的几何设计的循环压缩下的hysteron属性和途径，以及我们如何可以调整给定的样品的途径，通过倾斜的边界之一。此外，我们调查的全球剪切模式的滞后耦合的效果，作为滞后和非滞后自由度之间的相互作用的一个例子。我们希望我们的工作将激发进一步的研究与有针对性的途径设计师的问题。
2022-05-04 cond-mat.soft
Response evolution of mechanical metamaterials under architectural transformations
结构转换在复杂系统的进化中起着关键作用，从超材料的设计算法到无序介质的流动和塑性。在这里，我们开发了一个通用的框架，通过顺序删除和添加弹性元件的离散建筑变换下的网络结构的线性力学响应的演变。我们专注于一类空间复杂的超材料，由三角形积木。对应于移除和添加弹性元件的这些构建块的旋转引入（拓扑）结构缺陷。我们表明，超材料的自应力状态起着至关重要的作用，并且两种不同网络架构之间的互斥自应力状态跨越了它们的机械响应的差异。对于我们这类超材料，我们确定了这些自应力状态的局部表示，这使我们能够捕获不断变化的响应。我们用我们的见解来理解拓扑缺陷的不寻常的应力转向行为。
2019-09-25 cond-mat.soft
Viscoelastic Metamaterials
机械超材料是具有可调先进机械性能的人工复合材料。特别有趣的机械超材料类型是柔性超材料，它利用内部旋转和不稳定性来表现出可编程的变形。然而，迄今为止，这种材料大多被认为是使用几乎纯弹性的成分，如neo-Hookean橡胶。在这里，我们通过实验探索了由表现出大的粘弹性弛豫效应的成分制成的超材料的机械快速响应，这种效应在绝大多数橡胶中遇到，特别是在3D打印橡胶中。我们表明，他们表现出非常强的敏感性的加载速率。特别是，机械不稳定性的强烈影响超过一定的加载速率。我们合理化我们的研究结果与粘弹性相互作用，它捕捉定性以及报告的行为，表明对加载速率的敏感性源于非线性和不均匀的变形速率，挑起内部旋转的顺应机制模型。我们的研究结果带来了一个新的理解超材料的动力学制度，并开辟了道路，使用超材料的动态形状变化以及振动和冲击阻尼应用。
2019-04-26 cond-mat.soft
Beyond von Mises Truss Models: Emergent Bistability in Mechanical Metamaterials
本文发现超弹性超材料中由协同刚化引起的涌现双稳态，证明单个单元单稳态而双单元组合可产生双稳态，并指出冯·米塞斯桁架模型无法解释该现象，进而提出新的解析模型。
2025-07-01 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
Multistability by Design in Complex Triangular Mechanical Metamaterials
Tel Aviv University（特拉维夫大学）；Hiroshima University（广岛大学）
本研究通过混合不同梁厚度的受挫三角形网络，利用尺度论证和伊辛映射构建相图，实现局部双稳态与指数级稳定构型，并经实验验证，为编程多稳态和广泛简并性提供了新途径。
2026-09-30 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
Programmable Mechanical Metamaterials: the Role of Geometry
我们通过实验和数值计算研究了几何形状对双孔超材料力学的精确作用，双孔超材料是由两个交替大小的圆孔图案化的准2D橡胶板。我们最近展示了如何通过横向限制$^1$来编程这些超材料对单轴压缩的响应。特别地，存在一定范围的限制应变$\varepsilon_x$，对于该限制应变，在一定范围的压缩应变$\varepsilon_y$内，压缩阻力变得非平凡-非单调或滞后。在这里，我们展示了无量纲几何参数$t$和$χ$，它表征了这些超材料图案的孔的孔隙率和尺寸比，可以在很宽的范围内显着调整这些范围。我们研究了极限情况下的行为，其中$t$和$χ$变得很大，并讨论了新的物理出现。远离这些极端极限，感兴趣的应变范围的变化是平滑的孔隙率，但随着尺寸比的变化证明了在低$χ$从双孔到单孔（相等尺寸的孔）行为的交叉，与纯单孔超材料$^2$中的弹性不稳定性有关。我们的研究提供了精确的指导方针，为合理设计的可编程biholar超材料，量身定制的特定应用，并表明，最广泛的可编程性出现的$t$和$χ$的适度值。
2016-06-02 cond-mat.soft
Programming Soft Robots with Flexible Mechanical Metamaterials
ETH Zürich（苏黎世联邦理工学院）；Harvard University（哈佛大学）
本研究提出利用柔性机械超材料的复杂变形行为来编程软体机器人，从而大幅提升其整体性能。
2019-06-01 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft cs.RO
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
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
Geometric charges and nonlinear elasticity of soft metamaterials
由于非线性力学和非平凡的几何效应，柔性机械超材料和高度可变形多孔固体的问题是丰富和复杂的。虽然数字方法是成功的，但分析工具和概念框架在很大程度上缺乏。使用类比与静电，并建立在最近的事态发展的非线性几何制定的弹性，我们开发了一个形式主义，映射到弹性电荷的非线性相互作用的弹性问题。这种方法提供了一个直观的概念框架，定性地解释了线性响应，机械不稳定性的发病和不稳定后状态的方面。除了直觉，形式主义还定量再现了几个原型结构的完整数值模拟。在这项工作中的有序和无序的多孔机械超材料的研究开发的工具的可能应用进行了讨论。
2019-10-04 cond-mat.soft
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
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
4D printing of mechanical metamaterials
机械超材料由于其独特的性能和功能，其微/纳米级设计的形状，包括几何形状和拓扑结构，也许是最重要的方面。4D打印使机械超材料形状的可编程、可预测和精确变化成为可能，以实现多功能性、自适应特性以及使用简单3D打印无法实现的其他类型的所需行为。本文概述了4D打印在机械超材料中的应用。它首先提出了什么是4D打印和什么形状方面的系统定义（例如，几何形状、拓扑结构）与机械超材料的4D打印相关。本文没有关注不同的打印工艺和材料，而是解决了将平面构造转换为目标3D形状所需的变形行为的最基本方面（即，2D到3D变形）或将3D形状变换为另一3D形状（即，3D到3D变形）。在这两种情况下，我们将讨论刚体形状变形（例如，刚性折纸）以及可变形的身体变形。本文最后讨论了将4D打印应用于机械超材料所面临的主要挑战，并提出了未来研究的几个领域。
2021-05-23 cond-mat.soft physics.app-ph
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
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
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
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
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
Reversible signal transmission in an active mechanical metamaterial
机械超材料被设计成能够实现独特的功能，但通常受到初始能量状态的限制，并且需要独立的能量输入来重复发挥作用。我们的研究介绍了一种理论上的主动机械超材料，它结合了生物反应机制，以克服被动超材料的这一关键限制。我们的材料允许可逆的机械信号传输，其中能量通过生物动力反应机制重新引入。通过分析离散模型的粗粒度连续模拟，我们发现信号可以通过行波在材料中传播。连续模型的分析提供了允许信号传输的参数空间的区域，并揭示了与著名的FitzHugh-Nagumo系统的相似之处。我们还发现明确的公式，近似的反应机制的时间尺度上的信号传输速度，这是必不可少的控制材料的效果。
2019-06-11 cond-mat.soft physics.app-ph
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
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
Wallpaper Group-Based Mechanical Metamaterials: Dataset Including Mechanical Responses
本文构建了一个涵盖全部17个壁纸对称群、包含1,020种二维微结构和12,240条有限元加载轨迹的力学超材料数据集，用于支持代理模型开发、对称性-性能关系研究及图案变换中的对称性破缺分析。
2025-09-21 cond-mat.soft physics.comp-ph
Double-network-inspired mechanical metamaterials
Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）
本文提出双网络启发的机械元材料，通过结合单体桁架（刚性）和编织（柔性）组件，实现了比纯编织和桁架组件高十倍的刚度和伸展性，同时通过内部缺陷增强能量耗散。
2024-09-03 cond-mat.soft physics.app-ph
Scale-Rich Network-Based Metamaterials
Network Science Institute, Northeastern University（网络科学研究所，东北大学）；Department of Mechanical Engineering, Massachusetts Institute of Technology（机械工程系，麻省理工学院）；Mathematical Institute, Utrecht University（数学研究所，乌得勒支大学）；Centre for Complex Systems Studies, Utrecht University（复杂系统研究中心，乌得勒支大学）；Department of Medicine, Brigham and Women’s Hospital, Harvard Medical School（医学院，布莱根妇女医院，哈佛医学院）；Department of Data and Network Science, Central European University（数据与网络科学系，中欧大学）
Scale-Rich超材料通过引入网络异质性，实现机械和声学性能的多尺度调控，突破传统单尺度系统限制。
2025-11-22 cond-mat.soft
Mechanical Metamaterials Fabricated from Self-assembly: A Perspective
本文展望自组装技术在承重型机械超材料制造中的应用，综述共聚物与胶体晶体自组装进展，并讨论高通量表征、ML及实验室自动化逆向设计等挑战与机遇。
2023-11-12 cond-mat.soft physics.app-ph
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
A Comparative Study of Enriched Computational Homogenization Schemes Applied to Two-Dimensional Pattern-Transforming Elastomeric Mechanical Metamaterials
本文比较一阶、二阶与微形态计算均匀化方案对方形圆孔二维弹性超材料图案变换的预测能力，表明微形态方法整体最准确。
2025-02-17 cond-mat.soft
Proprioceptive multistable mechanical metamaterial via soft capacitive sensors
University of Freiburg（弗莱堡大学）；Free University of Bozen-Bolzano（博尔扎诺自由大学）；Delft University of Technology（代尔夫特理工大学）
本研究将软电容传感器集成至由4个双稳态单元胞构成的3D打印多稳态力学超材料中，通过捕捉非线性变形实现了对状态变化的本体感受，为软体机器人反馈控制系统提供了基础。
2025-03-30 cond-mat.soft cs.RO
Nonlinear mechanical metamaterial cloaks
针对非线性机械系统隐身难题，提出将隐身转化为复现目标响应的优化问题，并用可微仿真与梯度优化设计刚性单元超材料，经仿真和实验验证其静、动态隐身与扰动屏蔽能力。
2025-08-29 cond-mat.soft physics.app-ph
Evolution of static to dynamic mechanical behavior in topological nonreciprocal robotic metamaterials
本研究提出一种主动控制的机器人超材料，在单元间相互作用层面打破互易性，实现静态位移强不对称响应，并演化至动态矢量孤子的不对称传输与单向放大，连接非互易物理与孤子科学。
2024-05-26 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
Diffusive buckling fronts in lattice-based metamaterials
The University of Chicago（芝加哥大学）
本文通过实验和理论模型，研究了高耗散三维格点超材料中由压缩触发的屈曲失稳如何以扩散前沿形式传播，并建立了基于反应-扩散方程的可预测框架。
2026-06-02 cond-mat.soft
Machine Learning of Implicit Combinatorial Rules in Mechanical Metamaterials
针对传统方法难以捕捉机械超材料组合问题构型空间复杂边界的问题，研究发现卷积神经网络可从稀疏训练集学习隐式组合规则并精准识别边界，为超材料复杂设计提供新思路。
2022-09-13 cond-mat.soft physics.comp-ph
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
Nonreciprocal response theory of nonhermitian mechanical metamaterials: response phase transition from the skin effect of zero modes
非互易非厄米系统通过非厄米趋肤效应提供了一种非传统的拓扑零模局域化机制。虽然这种效应的基本理论表征涉及右和左本征模的双正交系统，但是最近对机器人超材料中零模的这种效应的证明（Ghatak等人，arXiv：1907.11619）是基于常规右特征向量的直接实验观察。在这里，我表明，这种非互易性的机械超材料揭示其潜在的双正交性的直接观察到的系统对外部激励的响应。应用到突破性的实验，这个非互易响应理论预测，零模式集肤效应沿着扩展阶段，系统是高度敏感的物理扰动，导致发散的响应在一个大系统的限制。
2019-08-17 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft
Design framework for programmable three-dimensional woven metamaterials
Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）；University of Maryland（马里兰大学）
本文提出一种几何设计框架，通过图结构编码编织拓扑，实现可调架构、功能梯度和任意异质性，揭示了高可调各向异性刚度和极端可拉伸性，展示了可编程失效模式的潜力。
2025-07-18 cond-mat.soft
Reduced integration schemes in micromorphic computational homogenization of elastomeric mechanical metamaterials
机械超材料的奇异行为通常依赖于由其局部不稳定性、重排和旋转触发的底层微观结构的内部转变。取决于这种转变的存在和幅度，超材料的有效性质可能会显著改变。为了准确有效地捕捉这种现象，需要均匀化方案，反映微观和宏观结构的不稳定性，大变形，和非局部效应。为此，最近已经开发出一种微形态计算均匀化方案，该方案采用特定的微结构变换作为非局部机制，其大小由附加的耦合偏微分方程控制。在离散化所产生的问题，它原来的宏观刚度矩阵需要集成的宏单元基函数以及它们的衍生物，从而要求一个高阶的集成规则。由于在多尺度方案中本构关系的评估涉及非线性边值问题的昂贵的解决方案，计算效率可以通过减少积分点的数量来提高。因此，本文的目标是研究降阶格式在计算均匀化，重点是稳定性的结果元素。特别是，参数降低的顺序，从昂贵的质量矩阵的集成到一个便宜的刚度矩阵等效首先概述。一个有效的一点积分四边形单元，然后介绍和适当的沙漏稳定性进行了讨论。最后测试一个基准弯曲的例子，表明我们实现的准确度相媲美的完整的正交规则的元素的性能。
2020-04-14 cond-mat.soft
Non-Newtonian Topological Mechanical Metamaterials Using Feedback Control
本文介绍了一种不受牛顿动力学约束的拓扑力学超材料的设计方法。机械晶格中的单位单元受到主动反馈力的作用，主动反馈力通过自主控制器进行处理，预编程以实时生成所需的局部响应。作为一个例子，我们专注于量子Halfton模型，这是一个两带系统的方向复杂的耦合项，违反牛顿第三定律。我们证明了所需的拓扑相位，其特征在于手性边缘模式，可以实现在一个类似的机械系统，只有闭环控制。然后，我们表明，我们的方法能够实现，第一次，在机械超材料中的Haldom模型的修改版本。这里，复值耦合以晶格的相对边缘上的模式在相同方向上传播的方式被极化，并且通过反向传播的扩散体模来平衡。所提出的方法是通用和灵活的，并可用于实现任意的晶格参数，如非局部或非线性耦合，时间相关的潜力，非厄米动力学，和更多，在一个单一的平台上。
2020-10-11 cond-mat.mes-hall 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
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
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
Micromorphic Computational Homogenization for Mechanical Metamaterials with Patterning Fluctuation Fields
本文提出了一个均匀化框架的弹性体超材料表现出长程相关波动场。基于对一类此类材料的全尺寸数值模拟，提出了一种可以将运动学分解为三个部分的分析方法，即平滑的平均位移场、长程相关波动场和局部微波动部分。通过这种分解，均匀化的解决方案被定义为系综平均从一个家庭的翻译微观结构实现获得的解决方案。最大限度地减少由此产生的均匀化的能量，微观连续出现的平均位移和振幅的图案化长程微观结构波动领域。由于完全集成的合奏平均全球能源（因此也相应的欧拉-拉格朗日方程）是计算上禁止的，一个更有效的近似计算框架的开发。该框架依赖于当地的能量密度近似在附近的考虑高斯积分点，同时考虑到的平滑特性的有效字段和周期性的微波动模式。最后，所提出的方法的实施进行了简要概述，并通过比较其预测对全尺寸模拟的一个有代表性的例子证明了其性能。
2018-09-25 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
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
Auxetic metamaterials from disordered networks
最近的理论工作表明，对由弹簧连接的节点组成的无序网络进行系统的修剪，可以导致材料表现出许多不寻常的机械性能。特别是，全球性的财产，如泊松比或局部响应有关的变形可以精确地改变。可调的机械响应将在从减轻冲击到机器人技术的领域中有用，更一般地说，用于创建具有工程特性的超材料。然而，基于基于修剪的理论思想来创建拉胀材料的实验尝试尚未成功。在这里，我们介绍了一个新的和更现实的网络模型，其中包括角度弯曲力和适当的实验边界条件。然后设计并实现了该模型中选择键的顺序修剪策略，该策略使得在线性和非线性制度下变形时能够工程化特定的机械行为。特别是，它示出的泊松比可以调整到任意值。通过准备以这种方式设计的网络的物理实现来验证这里讨论的模型和概念，所述网络是通过激光切割二维片材产生的，并且被发现表现为预测的。此外，通过依赖于优化算法，我们利用网络的敏感性来调整设计网络，该网络具有更硬和更柔顺的键的分布，并且其拉胀行为甚至大于同质网络。总之，这里报告的研究结果有助于建立修剪网络代表了一个有前途的平台，创造新的机械超材料。
2017-10-02 cond-mat.soft
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
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
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
Static non-reciprocity in mechanical metamaterials
互易性是支配各种物理系统的基本原理，它确保空间中任何两点之间的传递函数是相同的，而不管几何或材料的不对称性如何。打破这种传输对称性可以增强对信号传输、隔离和源极保护的控制。到目前为止，打破互易性的器件主要被认为是在动态系统中，对于与时空变化相关联的电磁波、声波和机械波传播。在这里，我们表明，有可能强烈打破在静态系统中的互易性，实现机械超材料，通过结合大的非线性与适当的几何不对称性，可能的拓扑特征，表现出极大的不同的输出位移从不同的侧面激发下，以及单向位移放大。除了将非互易性和隔离扩展到静态之外，我们的工作还为理解具有非对称晶体结构和拓扑特性的非线性材料中的能量传播提供了新的思路，为能量吸收，转换和收获，软机器人，假肢和光学力学开辟了途径。
2017-04-04 cond-mat.soft physics.class-ph
