彈性超材料是一種人工復(fù)合材料，其具有自然材料所沒(méi)有的各種特殊性能，如負(fù)有效質(zhì)量密度，負(fù)有效模量，負(fù)泊松比等等，因此，它在先進(jìn)的工程應(yīng)用如隔振，導(dǎo)波，亞波長(zhǎng)聚焦，隱形斗篷等中具有很大的發(fā)展前景。

    彈性超材料有一個(gè)十分顯著的特點(diǎn)：由于嵌入單元中的單位的局部共振，從而可以在相對(duì)較低的頻率范圍產(chǎn)生帶隙。但是，傳統(tǒng)的彈性超材料由于其固定的微結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致它只能在固定頻率下工作，并且還只有一個(gè)功能，這就限制了彈性超材料的應(yīng)用。為了打破限制，在不同的外部環(huán)境下，彈性超材料就需要具有可調(diào)的性質(zhì)，其可以通過(guò)調(diào)整局部諧振器的諧振頻率實(shí)現(xiàn)。然而，這種調(diào)整方法需要人們精巧地設(shè)計(jì)局部共振單元或整體結(jié)構(gòu)，并且要以簡(jiǎn)單的方式觸發(fā)局部諧振變換，這項(xiàng)工作很難實(shí)現(xiàn)，特別是在較低的頻率下。因此，如何用可調(diào)的方式在低頻下拓寬帶隙范圍是傳統(tǒng)彈性超材料的一個(gè)挑戰(zhàn)。

    北京理工大學(xué)張凱（通訊作者）等人通過(guò)3D打印技術(shù)制備了一種可調(diào)的數(shù)字彈性超材料，其包括一個(gè)主框架和嵌入式電磁鐵的輔助梁。通過(guò)轉(zhuǎn)換電磁鐵的模式（接觸（1位），分離（0位））可以激活超材料不同的波導(dǎo)。并且研究人員還對(duì)其基本機(jī)制進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)分層組裝單元組件可以讓人們通過(guò)編程的方式拓寬超材料的帶隙，為許多工程領(lǐng)域的振動(dòng)隔離提供了一種新途徑。

    【圖文導(dǎo)讀】

    【圖1】 數(shù)字超材料的結(jié)構(gòu)

    （a） 12×12單元陣列的3D打印的超材料

    （b） 超材料的一個(gè)單元：包括一個(gè)方形框架，兩對(duì)梁，兩個(gè)電磁鐵

    （c） 分離（Det）和接觸（Att）模式的轉(zhuǎn)換，由直流開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)

    （d）、（e） 超材料中波的傳播實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究

    【圖2】 具有內(nèi)部諧振器的一維彈簧質(zhì)點(diǎn)格子的理論和實(shí)驗(yàn)分析

    （a）分離（Det）和接觸（Att）下，1維彈簧質(zhì)點(diǎn)格子單元的示意圖

    （b） 分離和接觸模式下，單元的有效質(zhì)量

    （c） 分離（紅點(diǎn)和紅線(xiàn)）和接觸（藍(lán)圈藍(lán)虛線(xiàn)）模式下，5個(gè)單元的實(shí)驗(yàn)和理論透光率

    【圖3 】分離和接觸模式下，超材料的能帶結(jié)構(gòu)

    （a）分離模式下，超材料的能帶結(jié)構(gòu)

    （b）接觸模式下，超材料的能帶結(jié)構(gòu)

    【圖4】 具有可調(diào)諧超材料表面涂層的柔性基塊與智能器件

    （a） 具有可調(diào)諧超材料表面涂層的柔性基塊

    （b） 基塊控制波的傳播

    （c） 輔助梁上的具有壓電薄膜的智能器件，其可以隔離有害振動(dòng)并創(chuàng)建一個(gè)受保護(hù)的內(nèi)部環(huán)境，具有自主感知、自主反應(yīng)和自供電的特點(diǎn)