編輯 | 蘿蔔皮
人造超材料的斷裂行為往往會導致災難性的破壞，並且對裂紋擴充套件的抵抗力有限。
相比之下，骨頭和陶瓷等天然材料具有微觀結構，可產生空間可控的裂紋路徑，並且增韌材料對裂紋的抵抗力會提高。
上海交通大學的研究人員提出了一種受自然強化機制啟發的方法，旨在開發一種系統的設計方法，使損傷可程式設計超材料能夠在細胞中具有可工程化的微纖維，從而能夠在空間上程式設計微尺度裂紋行為。
機器學習可用於提供有效的設計引擎，加速生成可損傷可程式設計單元，該單元提供先進的增韌功能，如天然材料中的裂紋彎曲、裂紋偏轉和遮蔽；並針對給定的裂紋路徑程式設計進行最佳化。
該團隊表示，這種增韌特效能夠在裂紋尖端相互作用、裂紋遮蔽、裂紋橋接以及這些機制的協同組合的基礎上有效地實現抗裂機制，與傳統超材料相比，吸收的斷裂能量最高可提高 1,235%。
這裡所提出的方法對於損傷容錯材料和輕量化工程系統的設計具有廣泛的意義，在這些系統中，人們追求顯著的抗斷裂效能或高度可程式設計的損傷以實現高效能。
該研究以「Damage-programmable design of metamaterials achieving crack-resisting mechanisms seen in nature」為題，於 2024 年 8 月 27 日釋出在《Nature Communications》。
隨著製造技術的進步，具有複雜微結構幾何形態的超材料被設計並實現，展現出新穎的電磁操控、熱隱身效應和聲學控制等特性。機械超材料具備超高剛度重量比、超高能量吸收、負泊松比等優異力學效能，在生物醫學、航空航天和土木工程等領域具有廣泛應用前景。
然而，這類材料在控制裂紋形成和防止快速斷裂擴充套件方面仍面臨挑戰。現有研究多集中於透過預設孔隙或區域性削弱材料來偏轉裂紋，或者透過複雜結構提升整體斷裂韌性，但缺乏系統性的空間損傷程式設計和有效的抗裂機制。自然界中的材料（如人類皮質骨和陶瓷）具有層級結構來抵抗斷裂，這為超材料開發提供了啟發。
為了將自然界的抗裂和控制機制轉化為機械超材料，研究人員模仿天然材料建立了具有微尺度損傷可程式設計（DP）單元的超材料，其具有可調節的微纖維方向以實現可程式設計損傷輪廓。
在機器學習（ML）的支援下，上海交通大學的研究人員開發了一種資料驅動的損傷程式設計超材料設計方法，以實現損傷擴充套件的空間控制，並對斷裂增韌單元進行程式設計。
這些單元模擬了自然界中觀察到的形成抗裂機制的粒子和相的斷裂特性，作為構建包含先進抗裂機制的下一代超材料的基礎。
圖示：使用資料驅動的損傷可程式設計 (DP) 超材料進行斷裂路徑工程。（來源：論文）
該團隊研究並程式設計了多種抗裂特性，以增強裂紋尖端相互作用、裂紋遮蔽和加固橋接，從而建立可損傷程式設計的超材料。
圖示：對機械超材料的抗斷裂特性進行程式設計。（來源：論文）
透過戰略性地程式設計在裂紋擴充套件的不同階段啟用的各種自然啟發的抗裂和耗散機制，與沒有此類機制的超材料相比，可以大幅提高對裂紋擴充套件的抵抗力和斷裂能量，高達 1335%，同時還可以有效地在所需位置消散裂紋。研究人員表示，精確程式設計複雜裂紋路徑的成果，此前從未被報導過。
圖示：包含所有關鍵增韌機制的損傷可程式設計（DP）超材料的斷裂。（來源：論文）
這種可損傷可程式設計超材料的設計為開發具有斷裂控制功能的下一代輕型工程系統提供了一條有希望的途徑，該系統可能在一系列應用中找到用途，例如飛行器的輕型損傷程式設計機身，以增強對乘客的保護，防止其受到傷害。
圖示：用於功能應用的 DP 超材料。（來源：論文）
該研究的潛力遠遠超出了論文裡所介紹的示例。這裡提出的方法需要進行新的研究，從而獲得對此類可程式設計超材料在複雜斷裂載荷場景（包括複雜載荷路徑、高應變率）和不同母體材料或超結構拓撲下的斷裂行為的新見解。
論文連結：https://www.nature.com/articles/s41467-024-51757-0