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
Hybrid TPMS-based Designs for Anisotropic Acoustic Metamaterials: Numerical Simulation and Topology Optimization
本文提出基于混合三周期极小曲面的各向异性声学超材料，通过穷举搜索392,178种设计优化x和y方向的带隙与通带特性，实现定向波导应用。
2025-06-04 physics.app-ph
Systematic design and realization of double-negative acoustic metamaterials by topology optimization
双负超声波材料（AMM）在超声、生物医学传感和无损检测等领域具有广阔的应用前景。在同时增加或不增加机制下，考虑不同的微结构对称性、最小结构特征尺寸和有效参数的离散程度，建立了一个统一的拓扑优化框架。然后，我们应用优化框架，提供启发式的共振腔为基础的和空间螺旋超材料的宽带双负性。同时，我们证明了双负性的本质来自新的人工多极LC和米氏共振，可以诱导的控制机制在优化。此外，大量的数值模拟验证了优化的AMM的双负性，负折射，增强的倏逝波和亚波长成像。最后，我们通过实验展示了使用3D打印优化的空间螺旋超材料的所需宽带亚波长成像。目前的方法和宽带超材料为亚波长成像技术提供了理想的AMM构建策略。
2018-11-08 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Auxetics-Inspired Tunable Metamaterials for Magnetic Resonance Imaging
物理学是指具有负泊松比的结构或材料，从而能够表现出违反直觉的行为。本文中，利用拉胀结构来设计在兆赫（MHz）频率下操作的平面和半球形配置中的机械可调谐超材料，针对它们在磁共振成像（MRI）中的应用进行了优化。特别地，所报道的可调谐超材料由具有金属螺旋的相互连接的单位单元阵列组成，使得具有负泊松比的拉胀图案成为可能。超材料的可展开变形通过单位单元之间的电磁相互作用的最终修改产生关于频率可调谐性的附加自由度。超材料使用3D打印技术制造，并且在变形期间实现谐振模式的~20 MHz频移。在临床（3.0特斯拉）MRI中进行了实验验证，证明超材料能够在共振匹配条件下显著提高射频（RF）场强，最终大幅提高MRI的信噪比（SNR）（~ 4.5倍）。本文提出的可调谐超材料提供了一种新的途径，使超材料在MRI中的实际利用，以及一系列其他新兴的应用。
2021-07-28 physics.app-ph physics.med-ph
Sonic metamaterials: reflection on the role of topology on dispersion surface morphology
研究声波超材料的色散表面形态对于提供惯性耦合、声学透明、极化和吸收等相关现象的信息至关重要。在本研究中，我们研究了K3，3和K6拓扑结构的二维超材料的频率表面形貌。所考虑的弹性结构由相同的底层格点组成，并形成一对六角对称的子格。我们表明，通过在晶格点引入普遍的局域质量声子微结构，可以形成六个单一的光学频率表面所需的属性，包括负群速度。分裂的频率表面是基于经典模拟的量子现象的“能级排斥”，这只能通过内部各向异性的节点，并允许我们获得不同的频率带隙。
2017-07-06 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.comp-ph
Saddle point singularity and optical phase transition in bilayer hyperbolic metamaterials
本文从理论和数值上研究了双曲型双层异向介质的高态密度。结果表明，隐马尔可夫模型的密度响应类似于金属或半导体的费米电子能带结构。利用格林函数方法，发现在异向介质的光子费米面（FS）上具有鞍点局域的隐马尔可夫模型的光子密度谱存在van Hove型奇异性。与电子系统相似，光子FS也经历了由其组分体积分数变化引起的不稳定性，导致在拓扑保护临界点处，I型和II型双曲态FS之间的Lifshitz型零温相变.
2018-05-01 physics.app-ph
Optimal isotropic, reusable truss lattice material with near-zero Poisson's ratio
软木是一种泊松比接近于零的天然无定形材料，广泛用于密封玻璃瓶。它是一种各向异性、横向各向同性的复合材料，很难按比例缩小。在这里，我们提出了一类新的各向同性且可重复使用的软木状超材料，该材料由混合桁架-晶格材料设计，显示出接近零的各向同性泊松比。采用多目标遗传算法进行优化，辅以椭圆基函数神经网络，并与有限元模拟相结合。最佳的微结构超材料，通过双光子光刻与300 \micro \meter的晶格常数制造，具有几乎各向同性的泊松比小于0.08在所有方向上。在超过$20\%$应变的压缩试验后，它可以恢复$96.6\%$的原始形状。
2020-03-17 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Volumetric-mapping-based inverse design of 3D architected materials and mobility control by topology reconstruction
模块化折纸结构的最新发展为具有多个自由度（multi-DOF）的有源超材料开创了一个新时代。值得注意的是，没有系统的逆向设计方法的体积模块化折纸结构已被报道。此外，很少有拓扑结构的模块折纸已经研究了设计的有源超材料与多自由度。在这里，我们开发了一种逆向设计方法和可重构算法，用于构建3D主动架构结构-我们合成模块化折纸结构，可以体积映射到目标3D形状。我们可以通过重构体系结构的拓扑结构来控制可重构性。我们的逆向设计的基础上的体积映射与流动性控制的拓扑重建可以用来构建建筑超材料与任何三维复杂的形状，也可与多自由度。本文的工作为基于体积逆设计的三维可重构结构设计开辟了一条新的途径。这项工作对于汽车，航空航天和生物医学工程应用的3D有源超材料和3D变形器件的设计具有重要意义。
2022-05-11 cond-mat.mtrl-sci cs.CG physics.app-ph
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
Topology optimization of flexoelectric metamaterials with apparent piezoelectricity
本文通过拓扑优化设计非压电基材超材料，利用挠曲电效应实现表观压电性，并与石英和PZT陶瓷性能相当，为传感、致动和能量收集提供更广泛材料选择。
2023-11-03 cs.NA math.NA physics.app-ph
Corner Topology Makes Woven Baskets into Stiff, yet Resilient Metamaterials
本研究提出利用角部拓扑将2D编织片材转化为3D超材料，通过编织带的弹性局部屈曲实现高刚度与高弹性，并构建模块化平台应用于抗损伤机器人等领域。
2025-06-22 cond-mat.soft physics.app-ph physics.comp-ph
Singular Topological Edge States in Locally Resonant Metamaterials
本研究针对局域共振诱导带隙内难产生拓扑边缘态的问题，通过反演对称扩展SSH链模型结合实验，证实同时实现拓扑相变与带隙转变可在该带隙内产生亚波长级局域拓扑边缘态，拓展了拓扑超材料研究范围。
2024-08-17 cond-mat.other physics.app-ph
Review of foundational concepts and emerging directions in metamaterial research: Design, phenomena, and applications
在过去的二十年里，人们发现被称为超材料的人造结构表现出非凡的材料特性，能够前所未有地操纵电磁波、弹性波、分子和粒子。负折射、带隙、近完美波吸收、波聚焦、负泊松比、负热导率等现象，所有这些材料都是可能的。超材料最初是在电动力学中理论化和制造的，但对其应用的研究已经扩展到声学，热力学，地震学，经典力学和质量传输。在本研究更新中，我们按领域总结了超材料的历史，当前进展状态和新兴方向，重点是每个学科基础的统一原则。我们讨论了超材料背后的不同设计和机制，以及每个领域的控制方程和有效材料参数。最后，讨论了超材料的应用前景。最后，我们提供了一个展望未来的进展，在新兴领域的超材料。
2022-11-06 physics.app-ph physics.optics
Effective Medium Perspective on Topological Transitions in Metamaterials
光子结构的许多性质依赖于带拓扑，其特征在于整数不变量可以在拓扑转变期间改变，并产生无序鲁棒的拓扑边、角或界面状态。通常，这种结构的周期与波长相当。然而，在许多情况下，单位单元变得深亚波长，因此整个超材料可以用有效材料参数来描述。在这里，专注于亚波长拓扑超材料，我们确定的行为的介电常数和磁导率伴随的拓扑结构的例子具有$D_6$对称性的转变。
2022-03-22 physics.app-ph physics.optics
On-chip higher-order topological micromechanical metamaterials
高阶拓扑绝缘体由于能够在单个芯片上集成多个维度的稳定边界态，具有多维拓扑物理和独特的应用价值。然而，对于高频机械系统中的信号处理应用，高阶拓扑机械材料的当前实现仍然限于用于千赫兹或更低频率的大规模系统。在这里，我们报告的实验观察的芯片上的微机械超材料作为高阶拓扑绝缘体的高频机械波。高阶拓扑声子带隙是由布里渊区拐角处的带反转引起的，该带反转是通过配置在硅芯片上蚀刻的椭圆柱的取向来实现的。通过一致的实验和理论，我们证明了在兆赫频率范围内由高阶能带拓扑引起的拓扑边缘态和角态的共存。具有高阶拓扑结构的片上微机械超材料的实验实现为基于集成平台中的兆赫机械波的应用打开了一个机制，其中边缘和角状态分别充当稳定的波导和谐振器。
2020-10-08 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
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
Exceptional points and scattering of discrete mechanical metamaterials
例外点（EP）是参数线性算子的复奇点，其中两个或多个特征值和特征向量合并。由于超材料在滤波、隐身和传感等方面的巨大潜力，超材料引起了人们越来越多的兴趣。本文利用离散的超材料模型，研究了电磁脉冲附近的能带拓扑和散射特性。EP的存在和它们的物理表现的问题将特别侧重于对称性的考虑和散射行为。这里使用可调参数的离散质量弹簧模型来阐明EP相关现象的基本形式。的传输和散射矩阵进行了分析，以提供实用的见解与互易性和基本对称性的限制。通过在频域中包括复刚度作为非保守机械损失或增益的表示，MM阵列可以被调谐以在EP处操作时实现双向透明或单向反射。这一分析研究将有助于理解EP在机械方面和微结构介质的新应用的设计。
2022-04-01 physics.app-ph
Architecting mechanisms of damage in topological metamaterials
本研究针对超材料损伤机制构建的挑战，利用麦克斯韦晶格的拓扑特征，建立依赖拓扑和几何参数的框架，通过数值探索证明其能引导或阻止不同约束条件下的晶格损伤，为操纵损伤机制及裂纹控制提供可靠方式。
2025-08-25 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other cond-mat.soft
Morphogenetic mechanical metamaterials: Emerging tensor properties from self-organized structures
University of Limoges（利摩日大学）；CNRS（法国国家科学研究中心）；XLIM（XLIM研究所）；Institut universitaire de France (IUF)（法国高等研究院）；IRCER（陶瓷与复合材料研究与创新中心）；IUT du Limousin（利穆赞理工学院）
该研究受生物形态发生启发，提出去中心化生成模型，通过适配Turing反应-扩散概念，实现无需优化循环的目标正交各向异性机械超材料设计，经机械隐身实验验证其有效性。
2026-08-28 physics.app-ph physics.comp-ph
Broadband multilayer metasurface absorbers with MXene resonators and topology optimized substrates
Duke University（杜克大学）
本研究提出利用MXene共振器和拓扑优化3D打印基板设计宽频多层超材料吸收体，以提高吸收性能。
2026-02-28 physics.app-ph
A parameteric class of composites with a large achievable range of effective elastic properties
在本文中，我们数值研究了二维周期性异向介质的G-闭包问题的一个例子。具体来说，我们考虑复合材料的各向同性均匀化的弹性张量，作为两个各向同性材料的混合物，专注于一个单一的材料与空隙的情况下。这个问题是重要的，特别是，在增材制造的背景下设计超材料的小规模结构的背景下，因为这种类型的超材料使得使用单一基础材料获得一系列材料特性成为可能。我们证明了两个密切相关的简单参数族的基础上提出的结构O。Sigmund得到了满足Hashin-Shtrikman界的各向同性性质空间的良好覆盖。特别是，对于正泊松比，我们证明了Hashin-Shtrikman界可以任意近似，在数值逼近的限制内：强有力的证据表明，在这种情况下，这些界是可以实现的。对于负泊松比，我们在数值上得到一个界限，我们假设是接近最佳的，至少对于旋转对称的正三角形平铺的超材料。
2019-09-17 cs.NA math.NA physics.app-ph
Conformal Elastodynamics in 2D Dilational Metamaterials
Georgia Institute of Technology（佐治亚理工学院）；Harvard University（哈佛大学）；Le Mans Université（勒芒大学）
本文研究了一种二维扩张元材料，通过刚性正方形与柔性铰链连接实现均匀扩张，表现出泊松比-1的共形对称性，揭示了低频响应由旋转与边界扩张主导，高频下动量守恒特性为非线性波控制提供新途径。
2026-04-17 cond-mat.soft physics.app-ph
Shape-to-Music: A Musical Representation for Structural Topologies of Mechanical Metamaterials
本研究提出基于声音的表示方法，通过图像映射和有限元分析将机械超材料拓扑转化为旋律，利用FFT分析区分设计，提供直观的听觉表征工具。
2025-08-28 physics.app-ph physics.optics
Size-Dependent Properties of Miura-ori Tessellations
Seoul National University（首尔大学）；The University of Tokyo（东京大学）；Japan Aerospace Exploration Agency（日本宇宙航空研究开发机构）
研究发现Miura-ori折纸镶嵌的尺寸影响其泊松比的正负转变及锁定方向，通过改变镶嵌尺寸可调控折纸元材料的锁定行为。
2026-02-25 physics.app-ph
Non-singular and singular flat bands in tunable acoustic metamaterials
本研究设计并数值演示了二维薄板声学超材料，通过调节张力与弯曲刚度之比及利用晶格几何，实现了非奇异与奇异两类可调平带，并验证了受拓扑保护的鲁棒边界模式，为可调经典系统中的平带物理及声操控建立了框架。
2022-11-11 physics.app-ph
Machine learning-enabled inverse design of bimaterial thermoelastic lattice metamaterials
Technische Universität Darmstadt（达姆施塔特工业大学）
本文提出利用机器学习进行双材料热弹性蜂窝超材料的逆向设计，通过高通量模拟和神经网络模型实现高效预测和优化
2026-02-12 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Topological Computation by non-Abelian Braiding in Classical Metamaterials
该研究提出在经典机械超材料中实现一维 Kitaev 拓扑超导体，利用经典 MZM 的非阿贝尔编织完成单量子比特 Clifford 门，并验证其对机械缺陷的拓扑保护。
2025-02-21 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Zak phase and band inversion in dimerized one-dimensional locally resonant metamaterials
Zak相位是指粒子在布里渊区运动时产生的Berry相位，它表征了一维周期系统中布洛赫带的拓扑性质。本文研究了二聚化一维局域共振异向介质中的Zak相。研究发现，在体带中存在一些奇点，在这些奇点上，Bloch态对Zak相位的贡献为π，而在带的其余部分，贡献几乎为零。这些与零反射相关的奇异点是由两种不同的机制引起的：每个分支的二聚化无关的反共振，以及多次后向散射中的二聚化相关的相消干涉。该结构在能带结构中经历拓扑转变点，在该点能带反转，并且由体能带中的奇异点的数目确定的Zak相在二聚化参数的移位之后改变。最后，对第一带隙中两种不同拓扑结构的二聚化超材料结构之间的界面态进行了实验研究。准一维的系统配置允许一个探索拓扑启发的新方法和应用在亚波长尺度。
2018-02-22 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Fabrication-Directed Entanglement for Designing Chiral and Anisotropic Metamaterial Foams
本文提出面向制造的缠结（FDE）方法，结合粘性丝线打印与拓扑优化，在单一材料整体泡沫中编程局部缠结密度，实现可调各向异性、手性及法向-剪切耦合等定制力学性能。
2025-05-05 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.comp-ph
An Atlas of Extreme Properties in Cubic Symmetric Metamaterials
University of Toronto（多伦多大学）
本文提出基于立方空间群的大规模超材料数据库及神经网络模型，揭示了高刚度、低泊松比等极值属性的超材料设计方法。
2026-03-11 cond-mat.mtrl-sci cs.CE physics.app-ph
Design and Reprogrammability of Zero Modes in 2D Materials from a Single Element
本文提出利用直线机构与平面对称性原位定义并重编程二维极值材料零模的方法，实现弹性模态、泊松比和手性的可逆切换。
2025-06-10 physics.app-ph physics.class-ph
Realization of a Topological Phase Transition in a Gyroscopic Lattice
拓扑超材料在它们的边界处表现出不寻常的行为，例如单向手征波，其受到它们的能带结构的拓扑特征的保护。通过拓扑相变实时调整这种材料的能力可以使保护波用于信息存储和读出。在这里，我们动态地调整通过拓扑相变打破反转对称性的超材料组成的相互作用的陀螺仪。通过跃迁，我们跟踪了边缘模局域长度的发散和表征材料能带结构拓扑的陈数的变化。这项工作提供了一个新的轴，调整机械拓扑超材料的响应。
2017-11-07 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
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
