新闻网讯（通讯员 张晋豪）7月7日，《Nature Communications》在线刊发了机械学院高亮教授团队关于力学超材料非线性拓扑优化设计的最新研究成果“Self-bridging metamaterials surpassing the theoretical limit of Poisson’s ratios（超越泊松比理论极限的自桥接超材料）”。该成果超越了线性材料的泊松比理论极限，实现了力与位移的“二极管”效应，能够在超材料中进行单向位移传递，有望在血管支架、软体机器人中进行应用。机械学院博士后张晋豪为论文第一作者，高亮教授、肖蜜教授为论文共同通讯作者，美国纽约市立大学Andrea Alù教授和丹麦技术大学Fengwen Wang博士为论文合作者，华中科技大学智能制造装备与技术全国重点实验室为论文第一完成单位。
泊松比是描述材料在纵向单轴拉压时，横向正应变与纵向正应变之比的力学属性。自然材料的泊松比一般为正值，而人工设计的力学超材料能够表现出负泊松比。目前，自然材料的正泊松比值和力学超材料的负泊松比值仍处于经典的热力学理论极限内，超越该极限可扩大泊松比的取值范围，在医用支架与软体机器人等装备领域具有重要的应用价值。
受杠杆机构支点可转换的启发，研究团队提出了基于自接触的结构拓扑可重构思路，建立了自桥接力学超材料的非线性拓扑优化设计方法，实现了超越线性材料泊松比理论极限的三类力学超材料设计（图1）。研究团队通过构建考虑几何、材料和接触三类非线性的拓扑优化模型，定制化设计了具有指定泊松比的微结构拓扑单胞，实现了非互易性、超大和阶跃等三类泊松比（图2-4）。通过设计非互易性泊松比的力学超材料，研究团队揭示了一种新颖的体模态，可打破静力学互易性，具备位移场的单向传递和放大特性；通过设计超大和阶跃泊松比，研究团队分别展示了自桥接力学超材料的位移双向放大特性和拉压膨胀特性。
图1.不同泊松比的变形模式
图2.自桥接力学超材料的非线性拓扑优化设计与性能仿真结果对比
图3.三类自桥接力学超材料的泊松比
图4.三类自桥接力学超材料的泊松比属性的实验测试
上述研究工作扩大了泊松比的取值范围，设计了三类具有特殊变形模式的力学超材料，实现了泊松比热力学理论极限的超越，促进了力学超材料在具有特殊变形模式的装备设计中的应用，如位移单向放大的机械能量收集器、位移双向放大的应变传感器、具有拉压膨胀性的防护装备和生物医学支架，以及具有复杂柔性变形模式的软体机器人等。
上述研究工作得到了国家博新计划（BX20220124）、国家重点研发计划课题（2020YFB1708304）和腾讯“科学探索奖”的资助。
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