清華新聞網12月9日電 12月6日，清華大學航天航空學院陳常青教授課題組在《自然·通訊》（Nature Communications）在線發表題目為「力學超材料中可編程靜態拓撲孤立子」（Programmable and robust static topological solitons in mechanical metamaterials）的研究論文，利用力學超材料實現編程有序局域化變形的靜態周期孤立子。
孤立子作為一種具有特殊穩定性的時/空局域態，具有可靠傳遞信息和能量的潛力，普遍存在於非線性科學領域。局域化變形是材料和結構破壞的最主要形式之一，又因缺陷敏感，使得其位置和尺度隨機而難以預測和調控。開發可編程的拓撲結構來控制孤立子，進而實現局域變形可控，克服缺陷敏感的缺點，不僅有助於材料和結構應用，也有助於光子/聲子整流，以及軟體機器人和功能器件的設計。
該工作構建了一類多穩態力學超材料，在準靜態均勻壓縮載荷作用下，實現了有序局域變形，其本質是具有缺陷不敏感的靜態拓撲孤立子。這一發現突破了固體中局域變形的位置、尺度通常隨機而難以準確預測的傳統認知。
圖1.準靜態均勻壓縮載荷作用下力學超材料激發出的有序局域變形靜態孤立子的實驗和數值模擬結果。
圖2.力學超材料的一維雙穩態模型和周期孤立子解，結果證實實驗觀察到的有序局域變形具有明顯的靜態孤立子特性。
該研究進一步指出，有序局域變形的實現，並不依賴於特定的幾何構型，其根源是外界載荷作用下元胞原位勢與元胞間強耦合能的相互作用及其演化。這為採用力學超材料激發靜態孤立子，實現缺陷不敏感、有序可控局域變形提供了一個機理性框架。
圖3.可控有序局域變形的靜態周期孤立子機理示意圖：（a）元胞等效原位勢能隨壓縮應變演化示意圖；（b）多穩態系統結構相變機制與靜態周期孤立子框架示意圖；（c-d） 基於靜態孤立子框架編程有序局域變形。
清華大學航院陳常青教授為本文的通訊作者，微納米力學中心博士生張亞飛為本文的第一作者。合作者還包括航院李博副教授，鄭泉水教授以及華盛頓大學Guy M. Genin教授。該項研究得到了國家自然科學基金委的支持。
論文連接：
https://doi.org/10.1038/s41467-019-13546-y
供稿：航 院
編輯：李華山
審核：呂 婷