基於局部控制的單元幾何結構及其全局配置成結構和機制，機械超材料可提供奇異的特性。之前的研究中，這些被製成連續的、單片結構的增材製造，提供高解析度和高吞吐量，但本質上受到工藝和機器的限制。
為了解決這個問題，近日，來自美國麻省理工學院的BenjaminJenett等研究者，提出了一個基於有限部分離散裝配的機械超材料構造系統，這些部分可以在空間上組成一系列的特性，如剛性、柔度、手性和增大行為。相關論文以題為「Discretely assembled mechanical metamaterials」發表在Science Advances上。同期該論文登上了《Science Advances》的封面。
論文連結：
https://advances.sciencemag.org/content/6/47/eabc9943
從微觀到宏觀的合理設計材料一直是一個有著廣泛工程應用的長期目標。通過控制局部單元特性及其全局空間分布和排列，可以獲得具有奇異行為的超材料。機械超材料的基礎來自於單元固體的研究，其中天然材料，如木材和骨頭，或合成材料，如隨機泡沫，被理解為一個閉合或開放細胞網絡。在後一種情況下，邊緣形成了梁的網絡，根據梁與基材的連通性，可以解析地預測梁的宏觀行為。
數字製造的進步，特別是增材製造，使這些複雜的設計得以實現。開創性的工作證明了剛性，超輕晶格材料，並已被改進，導致機械超材料在超輕密度與多尺度層次上具有優異的剛度和強度。納米尺度特徵的好處，在於進一步擴展了奇異的性能參數空間，具有閉胞板的結構顯示出接近彈性材料性能的理論極限的潛力。
任何給定進程可以列印的最大結構，通常受到機器的構建量的限制。因此，大量的工作都集中在擴充機器上。米級FDM平臺和更大的膠凝沉積機已經被證明，並提出了協調移動機器人來實現任意大的工作區域。然而，在精度、規模和成本之間存在權衡。製造大型精密機器是昂貴的，而且由於機器性能、尺寸和成本的內在耦合，要實現高質量、低成本的大尺度(> 1米)機械超材料存在重大挑戰。
製造機械超材料的另一種方法是尋求將這些方面解耦，並以此克服基於機械的限制。這種方法基於離散的、模塊化的組件的可逆組裝，利用機械連接從較小的、可批量生產的部件中構建出更大的、功能性的超材料和結構。這種方法的第一次演示使用了定製的纏繞、釐米級、碳纖維增強聚合物(CFRP)組件，由於採用了高模量的組成材料，使得超輕密度網格比最先進的金屬微網格具有更好的彈性剛度性能。
在此，研究者基於有限集的模塊化，大批量生產的零件的離散裝配，提出了一個機械超材料的構造系統。研究者通過實驗證明了每種零件類型所需的超材料特性，並結合數值模擬結果，展示了其他意想不到的有用特性。該系統通過部件的設計來實現預期的連續體屬性，這樣全局行為就由局部機制來控制。研究者詳細描述了設計方法、生產過程、數值模擬和超材料行為的實驗表徵。這種方法得益於增量裝配，增量裝配消除了規模限制、可靠、低成本部件生產的最佳實踐製造，以及通過跨部件類型的一致裝配過程實現的可互換性。
圖1 離散力學超材料子系統的描述和表徵。
圖2 四種不同組裝的機械超材料。
圖3 剛性機械超材料。
圖4 機械材料兼容。
圖5 增大的機械材料。
圖6 手性機械超材料。
綜上所述，研究者提出了一種生產大規模機械超材料的方法，通過離散模塊化的組裝，大批量生產的零件。研究者展示了一組有限的部件類型，它們展示了一系列不同的行為。剛性格點類型在可預測的失效模式下顯示出線性剛度-密度比例。順從型格點表現出二次的硬密度比例，以及在低單元數時的獨特體積行為，例如，接近零的泊松比。增大晶格類型表現出可控的、各向同性的負泊松比。手性晶格類型對軸向應變表現出可伸縮的橫向扭曲，這是用於防止建築內部受挫的兩種類型的結果。四種類型均與數值結果吻合較好，且通過分析手段可預測其行為。
結合分層設計工具和裝配自動化，這項研究將使軟機器人、響應式航空和水動力結構以及用戶定義的可編程材料等新興領域成為可能，從而進一步融合未來工程系統的數字和物理方面。（文：水生）
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