近日，《Advanced Materials》（先进材料，IF=27.4）发表了我院潘飞副教授、陈玉丽教授与向锦武院士合作完成的研究成果“On-demand Reprogrammable Mechanical Metamaterial Driven by Structure Performance Relations”（构-性关联驱动的按需重编程力学超材料）。该工作利用“结构-驱动-决策”一体化的设计策略，实现了超材料力学性能的自动按需重定制，为迈向“物理智能+数字智能”融合的性能可重定制人工系统提供了新的解决方案。该工作还入选期刊“Editor’s Choice”，被特别推荐。北京航空航天大学为第一单位。
随着人工智能的发展，多功能和自适应材料/结构“物理智能”在具身智能体中发挥着重要作用，被认为是一种推动众多前沿领域发展的新兴范式。为了融合物理智能和数字智能，人们设想：未来的智能材料/结构能够通过数字智能精确、快速地对自身的性能进行重编程，以响应人类命令或适应环境变化。然而，通过物理和数字智能的集成，实现对变化目标力学性能的快速自动重定制仍有待探索。
图1. 可以根据目标应力-应变曲线自动重编程的力学超材料
实现这种超材料存在两方面挑战：（1）在物理层面，需要全新的结构-驱动一体化设计，以实现大的性能调节范围，大的结构变形幅度和高的调节速度；（2）在数字层面，需要准确刻画超材料的高维度结构-性能关系，并与物理部分无缝衔接，从而指导性能重编程。
为了解决这些问题，该工作（1）在物理层面，设计了一种具有丰富空间异质性的自驱动超材料。该材料由周期性排列的手性双稳态单元和内置的柔性气动人工肌肉组成。每个单元都有两种稳定状态，力学性能具有显着差异，但保持相同的宏观形状，可以通过人工肌肉驱动器在1蝉内进行状态切换。（2）在数字层面，通过多尺度力学理论建模、有限元分析和实验相结合，建立了超材料状态序列与应力-应变曲线之间的高维关系。基于该高维构-性关系，利用优化算法搭建了根据目标应力-应变曲线确定最优状态序列的计算程序，然后将其集成到超材料的状态调节驱动系统中，实现软硬件的衔接。
实验证明，对于在调节范围内的不同目标应力-应变曲线，该超材料可以计算出最优状态序列，然后利用内置驱动器主动调整状态，呈现出与目标高度吻合的实时测量应力-应变曲线。整个重编程过程只需要4秒。此外，该超材料具有高度可调的拉伸、压缩、剪切和弯曲力学性能，其中拉伸和压缩模量可达到30倍以上的调节范围。通过精细设计，超材料的性能可以具有更多的非线性特征，例如显着的拉伸和压缩不对称等。
图2. 基于内嵌的结构-性能关系，对不同目标应力-应变曲线的自动重编程
该工作融合物理智能和数字智能，实现了超材料力学性能的按需自动重编程，有望用于智能飞行器、机器人等众多领域的多功能自适应结构中。
我院博士生魏玉领是论文第一作者。他曾获得首届国家自然科学基金博士生项目、中国复合材料学会优秀硕士论文奖等。论文的通讯作者是我院潘飞副教授（https://shi.buaa.edu.cn/panfei）和陈玉丽教授（https://shi.buaa.edu.cn/chenyuli）。该研究团队主要研究方向为新型材料/结构设计、多尺度复合材料力学等。该工作得到了国家自然科学基金（12225201, 12372126, 12002016, 12172026）、国家重点研发计划（2020YFB1313003）、北航青年拔尖人才支持计划、北航科技创新团队支持计划等项目的资助。
全文链接：丑迟迟辫蝉://诲辞颈.辞谤驳/10.1002/补诲尘补.202410865
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