0. 引言

1968年,前蘇聯(lián)理論物理學(xué)家VESELAGO首次提出了超材料概念,當(dāng)時(shí)稱作“左手材料”[1]。20世紀(jì)90年代后,超材料因具有特殊電磁性能、負(fù)剛度、負(fù)泊松比、負(fù)折射率等超常性能吸引了眾多學(xué)者的關(guān)注。機(jī)械超材料是超材料的重要分支,按照基本彈性常數(shù)特性可分為：具有負(fù)彈性模量的折紙超材料、手性或反手性超材料、多孔板等；具有負(fù)剪切模量和負(fù)體積模量的五模超材料、負(fù)壓縮性超材料；具有零泊松比或負(fù)泊松比的生長超材料、壓電超材料等。負(fù)剛度超材料通常由細(xì)觀尺度的負(fù)剛度單胞組成,具有負(fù)的彈性常數(shù),即在負(fù)剛度區(qū)域內(nèi)應(yīng)變增大時(shí)應(yīng)力反而減小。負(fù)剛度力學(xué)行為發(fā)生時(shí)通常伴隨著“彈性突跳”現(xiàn)象[2],這是材料或結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換導(dǎo)致的。穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換過程中存在微結(jié)構(gòu)失穩(wěn)屈曲,這種傳統(tǒng)認(rèn)知中的結(jié)構(gòu)失效是實(shí)現(xiàn)材料負(fù)剛度特性和剛度調(diào)控的基本路徑。負(fù)剛度超材料可分為單向負(fù)剛度、雙向負(fù)剛度和多向負(fù)剛度超材料。由于大多數(shù)負(fù)剛度超材料具有明顯的各向異性,無方向依賴性的全向負(fù)剛度在實(shí)際應(yīng)用中難以實(shí)現(xiàn),但仍有少數(shù)學(xué)者對多向或全向負(fù)剛度進(jìn)行了研究。任晨輝[3]基于拉菲點(diǎn)陣?yán)碚撎岢隽藥追N多維多向負(fù)剛度胞元構(gòu)型。ZHU等[4]重新定義了負(fù)剛度的概念,并基于負(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度單元在理論層面上論證了全向負(fù)剛度的可行性,提出了準(zhǔn)全向負(fù)剛度的概念。GUO等[5]研究發(fā)現(xiàn),三維負(fù)剛度超材料可在3個(gè)主要方向上表現(xiàn)出雙向負(fù)剛度效應(yīng),具有六向彈性突跳行為,適用于多向緩沖和吸能的工程場景。根據(jù)變形模態(tài),負(fù)剛度超材料還可分為單穩(wěn)態(tài)型、雙穩(wěn)態(tài)型和多穩(wěn)態(tài)型。單穩(wěn)態(tài)負(fù)剛度超材料在外部載荷卸載后可恢復(fù)到初始形態(tài),滿足可重用結(jié)構(gòu)的需求；雙穩(wěn)態(tài)和多穩(wěn)態(tài)負(fù)剛度超材料則在不持續(xù)施加外部載荷的情況下也能保持變形后的形態(tài),滿足鎖能結(jié)構(gòu)的需求。典型雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的力-位移曲線的峰值載荷點(diǎn)和谷值載荷點(diǎn)的剛度為0,說明結(jié)構(gòu)處于臨界狀態(tài)。當(dāng)谷值載荷小于0時(shí),結(jié)構(gòu)既表現(xiàn)出負(fù)剛度特性又存在第二穩(wěn)態(tài)。多穩(wěn)態(tài)超材料的應(yīng)用是雙穩(wěn)態(tài)超材料的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。

負(fù)剛度超材料的多穩(wěn)態(tài)和可重復(fù)使用性能能夠防止結(jié)構(gòu)回跳、抑制加速度響應(yīng)幅值、有效吸收和耗散能量,其非線性力學(xué)響應(yīng)可以有效隔離振動(dòng),穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換可以實(shí)現(xiàn)帶隙調(diào)控。此外,利用負(fù)剛度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器能夠克服傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器質(zhì)量大和功耗高等問題。因此,負(fù)剛度超材料在緩沖吸能、減振降噪、微機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)和帶隙調(diào)控等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前,負(fù)剛度超材料的研究主要集中在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、多穩(wěn)態(tài)機(jī)制研究以及實(shí)際應(yīng)用探索方面。為了給相關(guān)人員提供參考,作者綜述了工程領(lǐng)域負(fù)剛度超材料的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和應(yīng)用情況,展望了其未來的發(fā)展趨勢。

1. 負(fù)剛度超材料的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.1 單胞的結(jié)構(gòu)形式和幾何參數(shù)

負(fù)剛度超材料的性能受單胞結(jié)構(gòu)形式和幾何參數(shù)的影響,單胞結(jié)構(gòu)主要包括梁和殼兩種結(jié)構(gòu)。

梁式結(jié)構(gòu)最為簡單,通過設(shè)計(jì)斜梁和曲梁結(jié)構(gòu)的屈曲失穩(wěn)過程來實(shí)現(xiàn)負(fù)剛度和多穩(wěn)態(tài)的研究較多。FOSSAT等[6]通過推導(dǎo)梁的分析模型預(yù)測了預(yù)應(yīng)力歐拉梁的負(fù)剛度行為。譚小俊[7]系統(tǒng)地比較了不同幾何參數(shù)下斜梁、曲梁及拱梁單元的雙穩(wěn)態(tài)特性,確定了3種梁的屈曲狀態(tài)和非屈曲狀態(tài)的參數(shù)邊界,研究結(jié)果表明斜梁和曲梁單元都具備雙穩(wěn)態(tài)特性,而拱梁單元主要表現(xiàn)為單穩(wěn)態(tài)。CHEN等[8]基于曲梁設(shè)計(jì)出了具有高能量耗散和低頻振動(dòng)抑制功能的負(fù)剛度超材料。王競哲等[9]設(shè)計(jì)的基于彈性梁的圓錐形負(fù)剛度超材料在多穩(wěn)態(tài)模式下的吸能和可重用性能都優(yōu)于單穩(wěn)態(tài)模式。PAN等[10]和潘怡等[11]設(shè)計(jì)了一種由斜梁填充的增強(qiáng)圓柱形負(fù)剛度超材料,以改進(jìn)非火工航天分離器的緩沖層,結(jié)果顯示斜梁的高厚比值越大,負(fù)剛度和雙穩(wěn)態(tài)性能越明顯。

在梁式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,研究人員進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)以改善負(fù)剛度超材料的性能。TAN等[12]通過引入一對預(yù)壓縮彈性曲梁,在施加側(cè)向約束和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換的過程中都可以實(shí)現(xiàn)對波的調(diào)節(jié)。MEHREGANIAN等[2]研究了基于雙曲梁的負(fù)剛度蜂窩材料的力學(xué)行為。TAN等[13]通過引入填料來調(diào)節(jié)負(fù)剛度單胞的力學(xué)行為,提高能量耗散能力,而不僅僅是利用填料的黏彈性直接耗散能量。譚小俊[7]研究發(fā)現(xiàn),變截面設(shè)計(jì)可以提高梁式結(jié)構(gòu)的能量捕獲性能,且其性能的變化與材料種類無關(guān),驗(yàn)證了負(fù)剛度超材料的力學(xué)性能主要取決于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)這一結(jié)論。CHEN等[14]研究了由余弦梁組成的三層錐形結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換,引入了偏置距離來定制結(jié)構(gòu)功能。此外,還可以通過仿生設(shè)計(jì)[15]、拓?fù)鋬?yōu)化[16-17]、引入智能材料和結(jié)構(gòu)[18-19]等來進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

殼結(jié)構(gòu)通常具有特定的曲率或形狀,通過形狀設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)負(fù)剛度研究。JIA等[20]基于薄球殼結(jié)構(gòu)提出了一種三負(fù)機(jī)械超材料,當(dāng)施加應(yīng)力達(dá)到臨界值時(shí),該超材料會(huì)同時(shí)表現(xiàn)出負(fù)剛度、負(fù)泊松比和負(fù)體積模量性能,并且這種材料在應(yīng)變軟化時(shí)仍能防止局部變形帶的形成。曲面殼也具有負(fù)剛度和多穩(wěn)態(tài)行為,已有研究集中在多穩(wěn)態(tài)方面。與基于簡單梁或殼結(jié)構(gòu)的超材料相比,ZHANG等[21]提出的錐形殼負(fù)剛度超材料具有更高的剛度和強(qiáng)度,其形狀類似于碟形彈簧。

目前,有關(guān)負(fù)剛度單胞結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要圍繞前述梁、殼結(jié)構(gòu)展開,通過變截面設(shè)計(jì)、引入填充物、增加結(jié)構(gòu)空間內(nèi)支撐和改變結(jié)構(gòu)的高跨比與寬厚比等幾何參數(shù)的方法來提高單胞的強(qiáng)度和剛度。但是,目前的設(shè)計(jì)仍存在結(jié)構(gòu)形式單一和以平面結(jié)構(gòu)居多的問題,并且功能主要圍繞在減震降噪和抗沖擊方面。負(fù)剛度單胞結(jié)構(gòu)還可以融合以下方法進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化：引入形狀記憶合金、壓電材料來驅(qū)動(dòng)負(fù)剛度超材料的變形；設(shè)計(jì)多孔結(jié)構(gòu),在實(shí)現(xiàn)輕量化的同時(shí)為填料、彈簧等元素的加入提供空間；重要結(jié)構(gòu)使用對溫度敏感的材料,根據(jù)環(huán)境溫度調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)性能；參考自然界中生物體的結(jié)構(gòu)特征,如骨骼、貝殼等實(shí)現(xiàn)特定功能；通過多胞協(xié)同設(shè)計(jì),將多個(gè)單胞結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合形成具有強(qiáng)承載能力、優(yōu)異緩沖吸能性能的結(jié)構(gòu)。此外,負(fù)剛度單胞結(jié)構(gòu)還可與齒輪、彈簧、楔形塊等進(jìn)行融合設(shè)計(jì),可采用平滑過渡、漸變截面、預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)和增加纖維鋪層等方法來減少應(yīng)力集中。

選擇單胞之間的連接方式時(shí)需要考慮結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的傳遞性、穩(wěn)定性和與材料的匹配性等因素,常用連接方式包括直接連接、柔性連接、鉸接、模塊化連接和復(fù)合連接等,還可采用增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)一體化打印成型。單胞直接連接方式包括焊接、螺接、粘接等,適用于主要承受載荷的負(fù)剛度超材料；柔性連接是指通過彈簧、橡膠等柔性元件進(jìn)行連接,這種方式允許單胞之間有一定的相對運(yùn)動(dòng),能夠吸收和分散沖擊能量,提高結(jié)構(gòu)的緩沖吸能性能；鉸接方式可以在保持單胞間相對位置的同時(shí)實(shí)現(xiàn)一定的自由度調(diào)整,適用于可變形結(jié)構(gòu)、機(jī)械臂等需要特定運(yùn)動(dòng)形式的結(jié)構(gòu)；模塊化連接將多個(gè)單胞設(shè)計(jì)成獨(dú)立的模塊,通過預(yù)留接口進(jìn)行連接,便于模塊的替換、維修和升級,適用于可重構(gòu)機(jī)器人、模塊化建筑等；復(fù)合連接是指多種連接方式的復(fù)合使用,根據(jù)具體需求設(shè)計(jì)復(fù)合連接結(jié)構(gòu),可以充分發(fā)揮各種連接方式的優(yōu)點(diǎn)。

1.2 單胞的排列方式和數(shù)量

單胞的排列方式和數(shù)量是設(shè)計(jì)和優(yōu)化負(fù)剛度超材料性能的重要參數(shù)。“Twinkling”機(jī)制[22]是負(fù)剛度超材料常用的能量吸收策略之一,該策略下材料的能量耗散率依賴于材料結(jié)構(gòu)中串聯(lián)單胞的數(shù)量。確定單胞的排列方式和數(shù)量時(shí)需要考慮整個(gè)材料結(jié)構(gòu)的功能性、穩(wěn)定性和可靠性。WU等[23]提出了一種可調(diào)諧超材料,通過同向堆疊、鏡像堆疊和同向梯度堆疊排列梁單元的行和列實(shí)現(xiàn)了周期性梯度結(jié)構(gòu),這種梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)多級模式轉(zhuǎn)換,有效改善負(fù)剛度超材料性能,同時(shí)不同層串聯(lián)結(jié)構(gòu)因幾何參數(shù)不同而具有不同的屈曲強(qiáng)度,在加載時(shí)可按設(shè)計(jì)順序逐層失穩(wěn)。SHAFIPOUR等[24]通過數(shù)值模擬與試驗(yàn)分析了功能梯度負(fù)剛度蜂窩超材料的能量吸收性能,發(fā)現(xiàn)梯度結(jié)構(gòu)比均勻結(jié)構(gòu)具有更高的能量吸收率。TAN等[25]設(shè)計(jì)了一種氣動(dòng)實(shí)時(shí)調(diào)控三向負(fù)剛度超材料,其單胞結(jié)構(gòu)由負(fù)剛度錐形殼單元和立方支撐結(jié)構(gòu)組成,并研究了其內(nèi)部壓力、串聯(lián)單胞數(shù)量和殼單元參數(shù)對模態(tài)轉(zhuǎn)換、能量吸收性能和隔振性能的影響,發(fā)現(xiàn)：單胞數(shù)量主要影響吸能能力,單個(gè)單胞加載與卸載的響應(yīng)曲線完全重合,說明此過程無能量耗散,3個(gè)單胞串聯(lián)時(shí)加載與卸載的響應(yīng)曲線不完全重合,說明實(shí)現(xiàn)了耗能；在氣壓作用下,合理調(diào)節(jié)氣壓可以不依賴單胞數(shù)量來提高吸能效率,并能大幅提高該超材料的承載能力。

負(fù)剛度超材料單胞的排列方式主要包括串聯(lián)或并聯(lián)排列、梯度排列、隨機(jī)排列、分層排列等4種。串聯(lián)排列可以增加結(jié)構(gòu)的整體剛度,并聯(lián)排列可以提高結(jié)構(gòu)的能量吸收能力和穩(wěn)定性,單胞通過同向或鏡像串聯(lián)或并聯(lián)排列,形成規(guī)則的負(fù)剛度超材料；梯度排列是指單胞按照一定的梯度變化規(guī)律進(jìn)行排列,這種排列能夠使不同區(qū)域具有不同的力學(xué)行為,適用于需要多功能性和漸變性的應(yīng)用場景；單胞隨機(jī)排列可形成非均勻的負(fù)剛度超材料結(jié)構(gòu),從而提高超材料的復(fù)雜性和多樣性；分層排列是指不同類型單胞按層次排列,可形成多層結(jié)構(gòu)的負(fù)剛度超材料,實(shí)現(xiàn)不同性能的疊加。

單胞的數(shù)量影響著負(fù)剛度超材料整體結(jié)構(gòu)的載荷峰值、吸能能力和能量耗散。隨著單胞數(shù)量的增加,疊加具有相位差的單胞會(huì)導(dǎo)致峰值區(qū)域和谷值區(qū)域疊加,使得材料失去多穩(wěn)態(tài)功能。多穩(wěn)態(tài)負(fù)剛度結(jié)構(gòu)具有較高的比吸能,但隨著串聯(lián)的負(fù)剛度單胞數(shù)量的增加,材料的吸能效率會(huì)持續(xù)提高,達(dá)到一定程度后,其吸能能力會(huì)趨于飽和。單胞數(shù)量較少時(shí)材料的比阻尼系數(shù)增長較快,超過某一閾值時(shí)比阻尼系數(shù)的增長會(huì)趨于平緩,這可能與滯回環(huán)的形狀變化不再顯著有關(guān)。

1.3 變形模式

負(fù)剛度超材料受結(jié)構(gòu)形式限制,變形模式單一,通常只能在特定方向上通過壓縮和拉伸實(shí)現(xiàn)負(fù)剛度行為和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換。壓扭耦合結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)打破了負(fù)剛度超材料變形模式單一的限制,通過剪切也能產(chǎn)生負(fù)剛度效應(yīng)。胡玲玲等[26]設(shè)計(jì)了具有壓扭耦合效應(yīng)的輕質(zhì)高強(qiáng)蜂窩結(jié)構(gòu)超材料,為負(fù)剛度超材料的設(shè)計(jì)提供了新思路。ZHANG等[27]提出了一種圓形Halbach扭轉(zhuǎn)負(fù)剛度隔振器,該隔振器能夠提高扭轉(zhuǎn)磁負(fù)剛度并實(shí)現(xiàn)低頻隔振。譚小俊[7]基于磁體間作用力與位置的關(guān)系設(shè)計(jì)了基于多磁體系統(tǒng)的新型剪切負(fù)剛度超材料,在單向剪切致負(fù)剛度超材料研究的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了雙向剪切致負(fù)剛度超材料,實(shí)現(xiàn)了可調(diào)節(jié)自身力學(xué)響應(yīng)的功能。

負(fù)剛度超材料的變形方式主要取決于其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加載條件：具有復(fù)雜幾何形狀的負(fù)剛度超材料可適應(yīng)壓彎扭多種變形模式共同作用,從而提高材料的穩(wěn)定性和耐久性；層狀結(jié)構(gòu)或交錯(cuò)排列的結(jié)構(gòu)可提高材料的抗剪強(qiáng)度和剪切剛度；具有復(fù)雜連接方式和多層次結(jié)構(gòu)的負(fù)剛度超材料能夠承受壓剪扭等復(fù)雜外部載荷。

1.4 基材種類設(shè)計(jì)

負(fù)剛度超材料的細(xì)觀胞元通常由彈性材料和剛度較高的支撐結(jié)構(gòu)組成：彈性材料能夠?qū)崿F(xiàn)較大的應(yīng)變,但強(qiáng)度較低；支撐結(jié)構(gòu)能夠抑制結(jié)構(gòu)在受載時(shí)產(chǎn)生不必要的變形。彈性材料的性能在很大程度上決定著負(fù)剛度超材料的力學(xué)性能。CHEN等[28]制備了一種以聚酰胺和硅橡膠為基材的可重復(fù)使用負(fù)剛度超材料,該超材料具有較好的能量耗散能力和緩沖性能。CHEN等[29]使用碳纖維復(fù)合材料為基材制備了基于彎曲梁單元的負(fù)剛度超材料,該超材料具有良好的可重復(fù)使用、能量吸收和抗沖擊性能。ZHONG等[30]設(shè)計(jì)了一種以低密度的Ti-6Al-4V合金為基材超材料,與相同密度的多孔金屬材料相比,其強(qiáng)度顯著提高。負(fù)剛度超材料常用基材及其優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

負(fù)剛度超材料的制備工藝應(yīng)能在保證精度的前提下,實(shí)現(xiàn)各類復(fù)雜腔體和實(shí)體的成型,主要包括模塑成型法[25,28]、自組裝法[31-32]、切割和折疊法[33]以及增材制造技術(shù)等。模塑成型法適用于大規(guī)模生產(chǎn),但需要設(shè)計(jì)和制造負(fù)剛度結(jié)構(gòu)的模具；自組裝法在控制溫度、壓力和溶劑等條件下,使材料自發(fā)形成具有負(fù)剛度效應(yīng)的超材料結(jié)構(gòu),適用于制備納米級或微米級的非天然生物大分子超材料；切割和折疊法是指通過激光切割或機(jī)械加工等方法,將原材料切割成特定的形狀,再經(jīng)折疊等方式形成超材料結(jié)構(gòu),適用于制備負(fù)剛度折紙超材料；增材制造技術(shù)具有制造周期短、可節(jié)約材料和設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)勢,特別適用于制備鏤空、復(fù)雜且高精度結(jié)構(gòu)。目前,增材制造技術(shù)的應(yīng)用最廣泛,其常見的成型工藝見表2。雖然該技術(shù)具有許多優(yōu)點(diǎn),但也面臨一些挑戰(zhàn),如：該技術(shù)加工的表面質(zhì)量與傳統(tǒng)工藝相比仍有差距；某些材料在打印過程中會(huì)遇到熱導(dǎo)率低、凝固過程復(fù)雜等問題；大型構(gòu)件的打印還需要解決支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與移除、打印過程中的變形等難題；受設(shè)備規(guī)格限制,該技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模批量生產(chǎn)。

2. 負(fù)剛度超材料的應(yīng)用領(lǐng)域

2.1 聲學(xué)

負(fù)剛度聲學(xué)超材料由特殊微結(jié)構(gòu)的單胞按規(guī)律分布而成,是典型的色散介質(zhì),在這類材料的帶隙內(nèi),波無法傳播,因此這類材料能夠高效地隔斷振動(dòng)和噪聲,彌補(bǔ)傳統(tǒng)隔聲和吸聲材料在性能上的不足。胥強(qiáng)榮等[34]設(shè)計(jì)了一種具有動(dòng)態(tài)磁負(fù)剛度的薄膜聲學(xué)超材料,通過增大磁負(fù)剛度來拓寬頻帶,有效提高了其低頻隔聲效果。SALAR-SHARIF等[35]為實(shí)現(xiàn)可調(diào)帶隙設(shè)計(jì)了具有負(fù)剛度內(nèi)含物的超材料。REN等[36]設(shè)計(jì)的多功能圓柱夾芯殼超材料,具有周向和徑向雙向負(fù)剛度,與同等尺寸和質(zhì)量的蜂窩夾芯圓柱殼相比,負(fù)剛度夾芯圓柱殼在大于200Hz頻率條件下具有更好的隔聲性能。在聲學(xué)領(lǐng)域中,利用負(fù)剛度超材料的多穩(wěn)態(tài)性能來調(diào)控帶隙,可實(shí)現(xiàn)聲波控制與調(diào)節(jié)、低頻寬頻帶降噪、聲波定向傳播以及聲學(xué)隱身等功能,在聲學(xué)通信、目標(biāo)探測、軍事等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

2.2 汽車

汽車在行駛時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲會(huì)干擾乘員判斷路況,降低駕乘舒適性,甚至加速傳感器等精密儀器的失效。目前,車身減振降噪主要采用填充聚氨酯泡沫板、阻尼墊等傳統(tǒng)耗能材料的方法。負(fù)剛度超材料的輕質(zhì)性能可以在保證強(qiáng)度的同時(shí)降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量,還能降低汽車內(nèi)部噪聲,提高輪胎的吸能性能和路面適應(yīng)性。張俊棟[37]在汽車地毯降噪設(shè)計(jì)中融合了聲學(xué)超材料,有效控制了低頻噪聲。然而,負(fù)剛度超材料在實(shí)際汽車制造中的應(yīng)用技術(shù)尚不成熟,還需解決材料設(shè)計(jì)與集成、高效制備技術(shù)、性能測試技術(shù)和成本控制等問題。

2.3 航空航天

我國航空航天事業(yè)的快速發(fā)展對可服役于復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境中的結(jié)構(gòu)功能一體化材料、輕質(zhì)高性能結(jié)構(gòu)材料[38-39]、智能材料、功能梯度材料的需求急劇增加[40]。負(fù)剛度超材料因具有可吸收和存儲(chǔ)能量、快速實(shí)現(xiàn)大變形和可重復(fù)使用等特點(diǎn)在航空航天領(lǐng)域受到重視。熊繼源[41]等基于力學(xué)超材料設(shè)計(jì)了具有質(zhì)量輕、響應(yīng)快和氣動(dòng)性能好等特點(diǎn)的機(jī)翼柔性后緣。胡建星等[42]將壓扭雙螺旋負(fù)剛度超材料填充于某航天器緩沖裝置的圓柱殼內(nèi),顯著提高了其吸能性能。目前,尚未有直接證據(jù)表明負(fù)剛度超材料可應(yīng)用在新型推進(jìn)系統(tǒng)中,但其獨(dú)特的物理特性為新型推進(jìn)系統(tǒng)的研發(fā)提供了新思路。此外,負(fù)剛度超材料還可以與智能傳感、控制等技術(shù)相結(jié)合,根據(jù)外部環(huán)境和內(nèi)部狀態(tài)的變化自動(dòng)調(diào)整其力學(xué)特性,進(jìn)而調(diào)控飛行器的飛行狀態(tài)。

2.4 船舶工程

在船舶工程領(lǐng)域,關(guān)于負(fù)泊松比船用超材料的研究較多,負(fù)剛度超材料一般用于新型船體吸能和抗沖擊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。任晨輝[3]設(shè)計(jì)了新型負(fù)剛度超材料抗沖擊基座和負(fù)剛度超材料抗沖擊船底結(jié)構(gòu),探索了負(fù)剛度超材料在船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的應(yīng)用。BODAGHI等[43]設(shè)計(jì)的負(fù)剛度超材料護(hù)舷具有高可恢復(fù)性、高能量吸收和高耗散能力。張栗銘[44]等指出負(fù)剛度超材料的可設(shè)計(jì)性有望解決船舶抗沖擊、輕量化和減振降噪等問題。目前,船用超材料的大尺度、高效、低成本制造技術(shù)等問題亟待解決。

2.5 抗震減災(zāi)

負(fù)剛度超材料在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用研究主要圍繞減震設(shè)計(jì)展開。KIRAN[45]對調(diào)諧質(zhì)量阻尼器和負(fù)剛度阻尼器進(jìn)行優(yōu)化組合,優(yōu)化后的組合在實(shí)際地震激勵(lì)下表現(xiàn)出優(yōu)異的減震性能。趙春風(fēng)等[46]基于局域共振理論設(shè)計(jì)了一種十字形梯度抗震超材料,該超材料帶隙較寬且易調(diào)節(jié),能夠有效衰減地震波。LI等[47]基于地震蘭姆（lamb）波和面波設(shè)計(jì)了徑向梯度超元胞地震超材料,其單胞的填充率呈梯度變化,對地震lamb波具有良好的屏蔽效果。地震具有隨機(jī)性和復(fù)雜性,負(fù)剛度超材料在實(shí)際應(yīng)用中可能會(huì)面臨極端溫度、濕度變化,長期疲勞等多種不利條件,如何確保負(fù)剛度超材料與建筑結(jié)構(gòu)的有效連接以及優(yōu)化其布局和尺寸來最大化抗震減震效果尚有待研究。

2.6 微電子器件

負(fù)剛度超材料在電子設(shè)備上的應(yīng)用主要包括微開關(guān)、微泵、微流控、微繼電器等,可使電子設(shè)備變得更緊湊、靈活和輕量化。ZHU等[48]研發(fā)了具有均勻場方向穩(wěn)定性的負(fù)剛度超材料,可應(yīng)用于磁場方向檢測裝置和微繼電器等。然而,電子設(shè)備對材料的尺寸和形狀以及精度的要求高,負(fù)剛度超材料的應(yīng)用需要解決精密定位、微納制造技術(shù)、表面處理技術(shù)和集成化技術(shù)等方面的問題。

2.7 工業(yè)機(jī)器人

在工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)領(lǐng)域,負(fù)剛度超材料的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)制和“彈性突跳”現(xiàn)象可以提高結(jié)構(gòu)形態(tài)變換效率。程基彬等[49]設(shè)計(jì)的柔性機(jī)械臂能夠在復(fù)雜狹小的空間內(nèi)工作,其變形胞元可采用負(fù)剛度超材料單胞設(shè)計(jì)。負(fù)剛度超材料可以提高機(jī)器人的適應(yīng)性和能源效率,未來需實(shí)現(xiàn)與工業(yè)機(jī)器人的電機(jī)、傳感器、控制系統(tǒng)等部件融合,還需進(jìn)一步研究其與現(xiàn)有系統(tǒng)的兼容性問題。

3. 負(fù)剛度超材料的發(fā)展趨勢

負(fù)剛度超材料在吸能隔振和抗沖擊等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢,但其應(yīng)用仍面臨著很多挑戰(zhàn)：負(fù)剛度超材料的結(jié)構(gòu)通常較為復(fù)雜,設(shè)計(jì)和制造過程需要高精度和先進(jìn)的技術(shù)；其生產(chǎn)成本較高,難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制造和集成；在某些條件下,負(fù)剛度超材料可能會(huì)出現(xiàn)性能不穩(wěn)定現(xiàn)象,特別是在極端環(huán)境或長時(shí)間使用后,性能可能會(huì)下降；其工作范圍有限,通常只在特定的頻率范圍或應(yīng)力水平下才能表現(xiàn)出最佳性能；作為一個(gè)相對較新的領(lǐng)域,負(fù)剛度超材料缺少標(biāo)準(zhǔn)化和認(rèn)證體系,這可能會(huì)影響其在工業(yè)中的廣泛應(yīng)用。為了克服這些挑戰(zhàn),多功能化設(shè)計(jì)、智能化設(shè)計(jì)、多尺度研究、大規(guī)模制造、標(biāo)準(zhǔn)化認(rèn)證及跨學(xué)科合作是負(fù)剛度超材料未來的發(fā)展趨勢。

人工智能技術(shù)的發(fā)展為負(fù)剛度超材料的設(shè)計(jì)提供了新方向。趙哲等[50]為改進(jìn)非線性隔振器性能,通過機(jī)器學(xué)習(xí)與有限元分析對初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,得到了綜合性能最佳的負(fù)剛度超材料結(jié)構(gòu)參數(shù)。HA等[51]利用生成式機(jī)器學(xué)習(xí)提出了一種快速逆向設(shè)計(jì)方法,可以模擬絕大部分基于應(yīng)力-應(yīng)變曲線的力學(xué)行為,縮短了超材料的設(shè)計(jì)制造周期。楊知虎等[52]基于深度學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)了Fano共振超材料結(jié)構(gòu),并利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了結(jié)構(gòu)參數(shù)與透射譜之間的關(guān)系,實(shí)現(xiàn)了負(fù)剛度超材料的逆向按需設(shè)計(jì)。人工智能技術(shù)的應(yīng)用縮短了負(fù)剛度超材料的設(shè)計(jì)周期,通過生成對抗網(wǎng)絡(luò)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)材料結(jié)構(gòu)和特性的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

增材制造技術(shù)在復(fù)雜結(jié)構(gòu)、復(fù)合材料的制造方面具有獨(dú)特優(yōu)勢,特別適用于超材料的制備。其中,4D打印技術(shù)使得結(jié)合力學(xué)超材料的設(shè)計(jì)思想形成的智能柔性超材料[53]變得更為簡便,這種超材料既具有負(fù)剛度和多穩(wěn)態(tài)特性,又具有智能響應(yīng),是目前的研究熱點(diǎn)。

4. 結(jié)束語

負(fù)剛度超材料的研究表現(xiàn)出顯著的多學(xué)科交叉特征。負(fù)剛度超材料具有獨(dú)特的負(fù)剛度效應(yīng)與多穩(wěn)態(tài)特性,其性能受單胞結(jié)構(gòu)形式與幾何參數(shù)、排列方式與數(shù)量、變形模式等因素影響,高性能基材的應(yīng)用和制備工藝的改進(jìn)可以進(jìn)一步提高其性能。負(fù)剛度超材料有望應(yīng)用于微機(jī)電開關(guān)、高性能阻尼器、新型驅(qū)動(dòng)器、緩沖吸能結(jié)構(gòu)、隔振和吸聲結(jié)構(gòu)、封裝工藝、運(yùn)動(dòng)裝備和醫(yī)療器械等多個(gè)方面,但目前仍處于研究階段,還面臨缺乏多維多向的復(fù)雜結(jié)構(gòu)、方向依賴性較強(qiáng)、吸能效果受限以及整體結(jié)構(gòu)力學(xué)性能較弱等問題,未來研究將集中在以下幾個(gè)方面：（1）考慮材料在實(shí)際應(yīng)用中的多物理場耦合作用,如力-熱耦合、力-電耦合等來進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)并充分開發(fā)材料性能；（2）通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、采用高性能材料和引入增強(qiáng)機(jī)制,以提升材料力學(xué)性能；（3）研究多維多向的負(fù)剛度超材料,設(shè)計(jì)出各種復(fù)雜結(jié)構(gòu),從而滿足不同工程領(lǐng)域的需求；（4）深入研究負(fù)剛度超材料在不同環(huán)境下的耐久性和可靠性,并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施；（5）基于目標(biāo)性能或應(yīng)用條件,實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的逆向設(shè)計(jì)；（6）運(yùn)用拓?fù)鋬?yōu)化、機(jī)器學(xué)習(xí)等方法探索新的設(shè)計(jì)思路；（7）開發(fā)經(jīng)濟(jì)、高效的制備工藝來推動(dòng)負(fù)剛度超材料的大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。

文章來源——材料與測試網(wǎng)