北京理工大學方岱寧院士李營教授團隊Advanced Science綜述： 智能驅動力學先進結構及其構筑原理的最新進展
?結構智能集成一體化要求裝備通過結構設計與集成，實現(xiàn)形狀、性能和功能在時間和空間維度上可控變化，在不同模態(tài)或不同環(huán)境下實現(xiàn)變形、變性和變功能的“三變”。目前的力學超結構（超材料）已經(jīng)難以滿足日益提高的應用需求。智能驅動力學超結構（超材料） (Active Mechanical Metamaterials, AMMs) 是一類具有感知外界激勵、主動判斷并作出響應功能的材料，能夠通過“感知-響應”來滿足應用場景的需求和模態(tài)變化，受到了科學家的廣泛研究。AMMs內部精巧的人工設計微結構和自身智能材料的刺激響應特性，使其不僅繼承了力學超結構的超常力學性能，還具備了強大的驅動功能。AMMs的微觀和宏觀結構是根據(jù)幾種基本的力學構筑原理設計的，即相變原理、應變失配原理以及力學失穩(wěn)原理?？紤]到刺激響應材料的可控性和實際工作效率，研究人員使用溫度、化學物質、光、電、磁場和壓力作用這些外部物理場作為激勵場。北京理工大學方岱寧院士李營教授團隊應邀從力學構筑原理和刺激響應材料兩方面，系統(tǒng)性地總結了AMMs的前沿工作和最新進展（如圖1），對比了不同類型AMMs的特點和適用場景，并討論了AMMs的功能和工程應用，最后簡要描述了該領域目前存在的問題和發(fā)展前景。這篇綜述有望為AMMs的后續(xù)研究工作提供依據(jù)和啟發(fā)。
圖1 智能驅動力學超結構的構筑原理、驅動物理場以及應用
?作者將AMMs的力學構筑原理歸納為主要的三大類。首先是相變原理。相變原理是指當外力（如溫度、外力）不斷作用于材料直至某一特定條件時，導致材料微觀結構的變化和宏觀上的狀態(tài)變化。最常見的相變現(xiàn)象是材料在固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)之間的相互轉化。在相變過程中，各組分之間的分子間相互作用使整個材料經(jīng)歷一系列的性質變化或變形，因此，相變原理可作為一大類AMMs的構造方法。第二種是應變失配原理。應變失配是指介質中應變的不連續(xù)變化，常發(fā)生在由兩種或兩種以上不同材料組成的結構中。由于各部分力學性能的不同，在環(huán)境或荷載條件的作用下，各組分間不協(xié)調的應變導致界面處產生內應力，進而導致結構發(fā)生彎曲變形等響應。基于應變失配原理，通過預設的材料部署（例如將兩種具有不同熱膨脹系數(shù)或溶脹率的材料粘合），可以實現(xiàn)具有主動變形能力和可控響應特性的超結構（如圖2）。第三種是力學失穩(wěn)原理，包含了微觀和宏觀的結構失穩(wěn)兩個層面。在微結構層面，材料被認為是幾種相的結合，其中均勻線彈性相具有正定模量，而非正定彈性模量相具有負剛度，這些成分由于相互約束而暫時穩(wěn)定。根據(jù)勢能最小原理，微結構材料將按照能量最小的順序排列，具有非凸能勢的材料會跳過均勻變形，迅速躍遷到低勢能的位置，表現(xiàn)出相轉換、疇變、應變局部化等宏觀不穩(wěn)定性。因此，基于材料失穩(wěn)的超結構設計的核心是控制加載過程中材料最小勢能點的數(shù)量和最小勢能點出現(xiàn)的時間。在宏觀結構層面，力學不穩(wěn)定表現(xiàn)為屈曲、扭曲、起皺、折疊、壓痕等，這些大變形和旋轉導致結構的模式轉換?；诹W失穩(wěn)設計的AMMs如圖3所示。
圖2 基于應變失配原理的智能驅動力學超結構
圖3 基于力學失穩(wěn)原理的智能驅動力學超結構
?除了力學構筑原理，外激勵物理場的可控性和高效性也是AMMs的重要參考依據(jù)。（1）熱驅動型AMMs，常用的材料包括形狀記憶聚合物或合金、過度金屬氧化物、熱響應液晶彈性體和熱響應水凝膠等，由于其控制手段簡便而被應用得最為廣泛。如圖4(a)所示，結合手性構型和形狀記憶聚合物，研究人員開發(fā)出了力學性能可調節(jié)、變形可恢復的智能超結構；圖4(c)展示了一種多材料水凝膠血管支架，能夠在人體中進行受控的藥物輸運和藥物釋放；如圖4(f)則是一種能夠通過環(huán)境溫度調節(jié)其力學性能的折紙結構。實際上，后面幾類基于電熱、光熱和磁熱原理的AMMs，本質上都屬于熱驅動型。（2）化學驅動型AMMs主要基于結構與環(huán)境之間的化學反應，取材非常廣泛，如化學響應水凝膠、金屬離子、化學活性聚合物等。其驅動策略是將化學響應材料的置于如水、酸、有機或離子溶劑等液體環(huán)境中，通過結構設計，讓AMMs在受到外部化學刺激時呈現(xiàn)出可控變形?；瘜W響應具有精確控制和響應靈敏的特點，適用于各種微型系統(tǒng)。（3）光驅動型AMMs是通過在聚合物網(wǎng)絡中混合光響應官能團作為分子開關或光熱轉換劑來實現(xiàn)的，大致可分為光化學反應和光熱反應。受到外部光源的刺激，光響應組分發(fā)生變形，從而引發(fā)整體結構在宏觀尺度上的變形或移動。如圖5(f)所示，研究人員結合剪紙結構和光響應液晶聚合物網(wǎng)絡設計了一種能夠在光源的引導下完成滾動、轉向和爬坡等動作的棘輪形機器人。（4）電驅動型AMMs也可以分為兩大類。第一種是利用導體中電流產生的熱能來驅動機械變形，仍然屬于熱驅動。代表性的是基于電熱效應的導電形狀記憶聚合物和合金。另一種類型的電響應AMMs則是將外部電響應轉化為物理或化學反應。如電化學響應材料、電活性聚合物、介電彈性體和離子聚合物-金屬復合材料等。電驅動型AMMs應用方便，但目前大多數(shù)產品都需要接線工作，這是制約其發(fā)展的因素之一。（5）磁驅動型AMMs是目前最熱門的智能超結構之一，由于其響應靈敏、遠程控制、安全無害等優(yōu)點受到了研究人員的青睞。代表性的有將磁性顆粒和軟材料基體混合制備的磁軟材料。其中，以羰基鐵、四氧化三鐵為代表的軟磁性顆粒具有較小矯頑力和低剩磁，難以保持磁化方向，但其制備和應用相對簡單；以釹鐵硼為代表的硬磁性顆粒具有較大的矯頑力和高剩磁，經(jīng)過磁化后能夠保持磁化方向，從而被外部磁場精確地驅動，因此適用于對控制精度要求更高的場景。如圖6所示，結合力學超結構構型，研究人員已經(jīng)開發(fā)出多種磁驅動型AMMs。（6）壓力驅動型AMMs使用便捷，近年來也受到了大量關注，只要在軟材質基體內設置通道或空腔，并通過充放流體的方式產生壓力，就能夠改變超結構的形狀或使其產生運動。但是這種方式也有包括控制精度較差、需要流體通道等問題，難以運用到精密系統(tǒng)中?？偟膩碚f，根據(jù)不同的使用場景選擇合適的刺激響應材料來制備，能夠更好地發(fā)揮AMMs的力學特性和智能驅動特性。
圖4 熱驅動型智能驅動力學超結構
圖5 光驅動型智能驅動力學超結構
圖6 磁驅動型智能驅動力學超結構
?論文還總結了AMMs在各種領域的用途，有以爬行和游泳微型機器人為代表的智能機器人領域。包含微流控系統(tǒng)、微型驅動器、超疏水表面、柔性電池在內的各種微型化系統(tǒng)。包括智能抗沖擊結構、智能隱身斗篷、力學聲學和電磁隱身設備、智能天線在內的工程機械領域。包括柔性電子、仿生皮膚、仿生組織超結構、血管支架、靶向運輸載體等在內的生物醫(yī)學領域。AMMs在這些領域都發(fā)揮著重要的作用，并且具有非常廣闊的應用前景。隨著力學和材料學的不斷發(fā)展，未來將出現(xiàn)更多的新型智能驅動力學超結構，為生產生活提供動力。
?該綜述文章以Recent Progress in Active Mechanical Metamaterials and Construction Principles為題發(fā)表在Advanced Science（影響因子16.806）上。在北京理工大學方岱寧院士的指導下，博士研究生齊驥翔為本文的第一作者，李營教授和陶然副教授為本文的共同通訊作者。方岱寧院士團隊的爆炸毀傷與先進防護結構小組成立于2017年，主要從事先進防護材料與結構設計，智能力學超結構設計制造等研究。本文通訊作者李營教授主要從事爆炸沖擊與多功能防護設計、力學超結構設計和制造等研究，擔任爆炸科學與技術國家重點實驗室研究部主任，中國力學學會水中爆炸動力學組副組長、航天材料標準委員會委員等職務，獲國家萬人計劃青年拔尖人才、中國科協(xié)青年托舉人才、學會優(yōu)秀博士論文等。通訊作者陶然副教授主要從事高性能復合材料，智能復合材料結構的制造工藝、力學設計和實現(xiàn)技術研究。
?課題組招收力學、復合材料、兵器、機械、船舶等學科博士后，待遇從優(yōu)，可面談。郵箱bitliying@bit.edu.cn。
?原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202102662
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