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  突彈跳變不穩(wěn)定性普遍存在于自然生物系統(tǒng)中，以確保動(dòng)植物生存。例如，捕蠅草葉片可以通過(guò)在兩種穩(wěn)定的平衡狀態(tài)（打開(kāi)的凸形和閉合的凹形）之間快速切換來(lái)捕獲獵物，以及其他突出的例子（例如，蜂鳥(niǎo)快速閉合的喙，雀尾螳螂蝦的極快速打擊，以及高速奔跑中獵豹的脊椎）。最近，在設(shè)計(jì)中集成突彈跳變不穩(wěn)定性以產(chǎn)生雙穩(wěn)態(tài)，多穩(wěn)定性，或可編程行為等方面取得了重大進(jìn)展，但對(duì)突彈跳變不穩(wěn)定性的利用仍然缺乏靈活的功能應(yīng)用和與信息相結(jié)合的能力。主要有三個(gè)局限性：i）單胞基序的單一變形模式，ii）有限的設(shè)計(jì)空間，以及iii）變形運(yùn)動(dòng)與信息相結(jié)合的障礙。超材料的最新發(fā)展引入了一種靈活且實(shí)用的組裝策略，該策略不局限于制造技術(shù)，可以集成多種材料系統(tǒng)。如何基于裝配策略巧妙地利用雙穩(wěn)態(tài)單元已成為拓寬靈活功能應(yīng)用的基石。然而，傳統(tǒng)的雙穩(wěn)態(tài)元素，如受約束的傾斜/余弦梁或三維淺穹頂?shù)龋芷涔潭ㄟ吔缂s束的限制導(dǎo)致其具有有限的變形模式和單一的功能特性。這一局限性對(duì)利用雙穩(wěn)定性實(shí)現(xiàn)高級(jí)功能應(yīng)用提出了挑戰(zhàn)。因此，開(kāi)發(fā)面向功能/應(yīng)用的雙穩(wěn)態(tài)單胞基序是非常必要的，這有利于開(kāi)發(fā)創(chuàng)新功能，例如圖案加密設(shè)備，可編程摩擦納米發(fā)電機(jī)，傳感/記憶設(shè)備和邏輯計(jì)算裝置等。

  針對(duì)以上問(wèn)題，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（HIT）冷勁松院士團(tuán)隊(duì)近日在《Advanced Functional Materials》上發(fā)表題為“A Flexibly Function-Oriented Assembly Mechanical Metamaterial”的文章。

圖1 概述圖。A）受青蛙跳躍過(guò)程中后腿啟發(fā)的雙穩(wěn)態(tài)單胞基序的演化改進(jìn)設(shè)計(jì)過(guò)程以及其具有代表性的雙穩(wěn)態(tài)力-位移（F-D）曲線。B）單胞基序的幾何參數(shù)（初始傾斜角度θ，臂厚度t和間隙f），1/4單胞基序的典型簡(jiǎn)化變形圖，以及利用齒輪、軸承和框架構(gòu)建的具有理想邊界約束的裝配示意圖

圖2 可按需組裝的功能性力學(xué)曲線探索

圖3 機(jī)械-溫度雙模式圖案加密-解密策略

圖4 非易失性機(jī)械邏輯超材料

  綜上所述，他們提出了一種受青蛙跳躍過(guò)程中后腿啟發(fā)的單胞基序，并提出了一種靈活的超材料組裝策略。這種異質(zhì)組裝有效地提供了廣泛的設(shè)計(jì)空間，并能夠?qū)崿F(xiàn)許多面向功能的應(yīng)用，例如緩沖器、能量吸收器、圖案加密和機(jī)械邏輯計(jì)算設(shè)備。基于不同力學(xué)性能的單胞基序，通過(guò)有限元和實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證了組裝具有定制功能特性機(jī)械超材料的可行性。此外，所引入的圖案加密策略可以實(shí)現(xiàn)可逆、可重編程、更安全的雙模式加密/解密。最后，構(gòu)建了5個(gè)基本的機(jī)械邏輯門(mén)和一個(gè)組合半加法器，可以很好地執(zhí)行非易失性邏輯運(yùn)算。展望未來(lái)，放大的力輸出，機(jī)器學(xué)習(xí)或新的計(jì)算框架可能是非易失性機(jī)械邏輯計(jì)算的理想研究方法。并且，將刺激響應(yīng)特性引入裝配策略將是組裝力學(xué)超材料未來(lái)研究的重要手段，這將使其更加智能化。

  論文的第一作者哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士生岳成斌，副教授趙偉為論文共同第一作者，劉彥菊教授和劉立武教授為共同通訊作者，哈爾濱工業(yè)大學(xué)冷勁松院士，副教授李豐豐，博士生李炳勛為共同作者。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金大力支持。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202316181