北航新闻网12月27日电（通讯员 乔梁）近日，《Advanced Materials》（先进材料）发表了我校航空学院潘飞副教授、陈玉丽教授与向锦武院士合作完成的研究成果“On-demand Reprogrammable Mechanical Metamaterial Driven by Structure Performance Relations”（构-性关联驱动的按需重编程力学超材料）。该工作利用“结构-驱动-调控”一体化的设计策略，实现了超材料力学性能的自动按需重定制，为迈向“物理智能+数字智能”融合的自适应人工智能系统提供了新的思路。该工作入选期刊“Editor’s Choice”，被特别推荐。航空学院博士生魏玉领是论文第一作者，潘飞副教授、陈玉丽教授是共同通讯作者。北京航空航天大学为第一单位。

随着人工智能的发展，多功能和自适应材料/结构的“物理智能”在具身智能体中发挥着重要作用，被认为是一种推动众多前沿领域发展的新兴范式。力学超材料，可凭借人工设计的微结构获得超越天然材料的优异性能，在加工完成后还能实现自身本构性能和结构形状的定制化调节，为自适应的物理系统提供了强大的设计平台。人们设想：未来的智能材料/结构能够融合物理智能和数字智能，通过数字接口对自身的性能进行主动、精确、快速的重编程，以响应人类命令或适应环境变化。然而，通过物理和数字智能的集成，实现对变化目标力学性能的快速自动重定制仍有待探索。

图1.根据目标应力-应变曲线自动重编程的力学超材料

实现自动重编程力学超材料存在两方面挑战：（1）在物理层面，如何解耦承载结构和调控驱动的变形以进行结构-驱动一体化设计，在不改变宏观形貌的前提下实现大的性能调节范围，大的结构变形幅度和高的调节速度？（2）在数字层面，如何准确刻画超材料大量空间异质状态的高维度结构-性能关系，并与物理结构无缝衔接、指导性能重编程？

为了解决这些问题，该工作（1）在物理层面，设计了一种具有丰富空间异质性的自驱动超材料。该材料由周期性排列的手性双稳态单元和内置的柔性气动人工肌肉驱动器组成。每个单元都有两种具有显著差异力学性能但保持相同宏观形状的稳定状态，可以通过人工肌肉驱动器在1秒内进行状态切换。两种状态保持独立，只能通过驱动器进行切换，不会因外载发生相互跳变。驱动器只在状态切换时工作，且不影响结构的承载特性。（2）在数字层面，通过多尺度力学理论建模、有限元分析和实验相结合的手段，建立了超材料状态序列与应力-应变曲线之间的高维关系。基于该结构-性能关系，利用优化算法搭建了根据目标应力-应变曲线确定最优状态序列的计算程序，然后将其集成到超材料的状态调节驱动系统中，实现软硬件的集成。

实验证明，对于在调节范围内的不同目标应力-应变曲线，该超材料首先利用内嵌的结构-性能关系计算出最优状态序列，然后通过内置驱动器主动调节各单元状态，最终呈现出与目标高度吻合的实时测量应力-应变曲线。整个重编程过程只需要4秒。此外，该超材料具有高度可调的拉伸、压缩、剪切和弯曲力学性能，其中拉伸和压缩模量可达到30倍以上的调节范围；与已有的文献工作相比，在调节性能类型、调节幅度、调节速度等方面具有明显的综合优势。通过精细设计，超材料的性能可以具有更多的非线性特征，例如显著的拉伸和压缩不对称等。

图2.基于内嵌的结构-性能关系，对不同目标应力-应变曲线的自动重编程

该工作探索了物理智能和数字智能在力学超材料设计中的融合，实现了超材料力学性能快速、精确的按需自动重编程，有望用于智能飞行器、机器人等众多领域的多功能自适应物理系统。

该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、北航青年拔尖人才支持计划、北航科技创新团队支持计划等项目的资助。

全文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202410865

（审核：董雷霆）

编辑：贾爱平