由于轻质机械元结构具有高能量吸收效率和低结构重量，它们已被广泛应用于汽车和航空航天领域的被动防护系统[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。最近的研究通过先进的元结构设计进一步展示了改进的抗冲击性和可调的机械响应[6]、[7]、[8]。然而，大多数现有元结构在受到冲击后会发生永久变形，严重限制了它们的可重复使用性和长期结构稳定性。为了提高能量耗散能力，人们探索了多种几何设计策略，其中柱状[9]、[10]、[11]、[12]和块状元结构[14]、[15]是两个代表性的类别。特别是柱状元结构可以通过渐进式塑性变形来降低峰值力，同时高效地耗散外部能量[16]。多单元和分层设计显著提高了能量吸收性能[17]、[18]，多单元结构进一步增强了压碎效率[19]。然而，这些性能提升通常伴随着几何复杂性的增加、制造难度以及潜在的结构不稳定性。因此，实现机械性能、可制造性和可恢复性的平衡仍然是一个基本挑战。
为了解决性能与可制造性之间的权衡，引入了模块化设计策略，将复杂的元结构分解为离散的功能单元[20]。模块化提高了可扩展性、可修复性和结构定制性，同时简化了制造和维护过程[21]、[22]、[23]、[24]。先前的研究探索了各种模块化机械元结构，包括刚度编码的齿轮系统[25]、实时可编程元结构[26]、具有可调刚度的颗粒组装[27]和多稳态框架[28]。能够实现扭转耦合或多稳态转换的模块单元进一步扩展了这些系统的适应性[29]、[30]。尽管取得了这些进展，大多数模块化元结构仍然依赖于刚性的机械接头，这限制了变形灵活性，并导致加载后的塑性不可逆[31]、[32]。因此，传统的模块化架构难以同时实现强大的能量耗散、变形恢复能力和长期服务性。
离散自锁系统作为一种替代的模块化策略出现，以克服刚性接头的限制[33]、[34]。这些系统的发展越来越多地与智能制造框架相结合，通过模块化协调确保了更高的结构可靠性[35]。通过利用几何互锁而不是外部紧固件，这些系统在动态载荷条件下提高了组装稳定性、载荷传递效率和结构完整性[36]、[37]、[38]。最近的发展，包括受mortisetenon启发的元结构[39]、凹凸互锁设计[40]和空间卡扣系统[41]，展示了改进的抗冲击性和可调的变形行为。通过精细的数值框架和高保真有限元建模，进一步增强了这些能量吸收器的可预测性[42]。块状和管状自锁结构在能量吸收效率方面也取得了显著提升[43]、[44]。当前的创新还强调多尺度设计和稳健的数值分析，以优化能量耗散和非线性结构响应[45]、[46]。然而，尽管它们的机械鲁棒性得到了提高，但大多数自锁元结构在压缩后仍然会发生塑性不可逆变形，这限制了它们的可恢复性和适应性。这突显了需要结合机械稳定性和可逆变形能力的自锁模块化架构。
仿生工程为开发自锁机械元结构提供了有效的设计原则，借鉴了自然界的互锁系统[47]、[48]。在天然保护系统中观察到的生物缝合线和节点锁定配置，如甲虫外骨骼和龟壳，表现出卓越的抗冲击性和能量耗散能力[49]、[50]、[51]、[52]、[53]、[54]。这些特性启发了各种生物启发式的机械类似物，包括节点锁定组件[55]、受竹子启发的柱状结构[56]和具有增强可重复使用性的甲虫启发式互锁设计[57]。尽管这些研究表明生物启发式互锁策略在提高韧性和抗冲击性方面的有效性，但大多数仿生元结构主要关注结构模仿。将这些互锁机制与可恢复的变形和可重复的能量吸收相结合的研究仍然很少。
增材制造的最新进展使得复杂生物启发式自锁结构的制造成为可能[58]、[59]。形状记忆聚合物（SMPs）能够在热刺激下固定大的变形并恢复其原始形状，为解决传统元结构的不可逆性问题提供了有希望的途径[60]、[61]。由于它们固有的形状记忆效应，SMPs已被广泛应用于自修复系统、自主组装和可部署结构[62]、[63]、[64]。4D打印的出现进一步扩展了这些能力，实现了具有可调模块连接的榫卯元结构[65]、[66]、快速恢复的波纹管[67]以及具有优异循环性能的折纸启发式复合材料[68]、[69]。基于SMP的块状元结构也通过内在的形状恢复机制展示了增强的延展性和可重复使用性[70]。然而，大多数现有的基于SMP的超材料是连续的而不是模块化的，这限制了它们的可扩展性、可重构性和适应性。
为了解决这些挑战，本研究提出了一类受恶魔铁甲甲虫缝合互锁形态启发的模块化机械元结构（MMMs）。通过结合离散的模块化互锁几何形状和聚合物的形状记忆效应，所提出的MMMs实现了可恢复和可重复的变形，同时保持了结构稳定性。设计了三种具有不同内部拓扑结构的模块化配置，并进行了系统的研究。通过准静态压缩实验和有限元模拟，系统研究了关键几何参数对能量吸收和形状恢复行为的影响。这项工作为可持续的能量吸收机械元结构建立了一个可重构和可恢复的模块化设计框架。
