进展 | 通过数据驱动的非周期超构材料设计的力学隐身斗篷

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隐身材料可用于将物体隐藏在均匀的环境中，以防止物体被外部物理场（如电磁场和力场）检测到。为了实现隐身效果，在物体或空隙周围设计了隐身斗篷，其材料特性与周围均质材料的材料特性不同。设计斗篷的常用方法是通过材料参数变换，利用变换下控制方程的形式不变性来决定斗篷区域内的材料特性。虽然在光学、热学和电场领域制造了斗篷，但力学隐身斗篷的进展有限。大多数现有设计依赖于基于映射的方法，到目前为止，这些方法仅限于特殊的基本单元和形状简单的空隙的狭窄选择。这种方法已成功应用于如电/光、热斗篷。然而，材料参数变换不适用于隐藏弹性响应的力学隐身斗篷，例如位移场和弹性波。这是因为连续介质力学理论在一般坐标变换下不是形式不变的，而这是使用材料参数变换的前提。此外，为了表征材料的机械响应，需要一个四阶弹性张量，与在其他物理问题中设计标量材料参数相比，这增加了隐形设计问题的复杂性。因此，在设计力学隐身斗篷方面取得的进展有限。

近日，上海交通大学朱平教授、加州理工学院Chiara Daraio教授、美国西北大学Chen Wei教授团队提出了一种系统的、数据驱动的设计方法，使用大型预先计算的单元数据库来创建由非周期性超构材料组成的力学隐身斗篷。这种方法很灵活，可以设计具有各种边界条件、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。它可以同时优化斗篷的拓扑结构和属性分布。与传统的固定形状解决方案相比，这会带来更好的整体隐身性能并提供无与伦比的多功能性，对增材制造结构的实验测量进一步证实了所提出方法的有效性。

研究说明了数据驱动方法在快速响应新设计场景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。它可以推广以适应需要异构属性分布的其他应用，例如软体机器人和植入物设计。相关研究发表在《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》上。(徐锐)

文章链接：
L. Wang, J. Boddapati, K. Liu, et al. Mechanical cloak via data-driven aperiodic metamaterial design[J]. Proc Natl Acad Sci U S A, 2022, 119(13): e2122185119.

https://doi.org/10.1073/pnas.2122185119

来源：两江科技评论微信公众号（ID：imeta-center），作者：九乡河。