具有定制化映射不变特性的接地可重构超材料

摘要

合成材料的机械性能取决于其微观结构和几何形态。这种依赖性会导致材料在重新配置形状时出现意外的性能变化，例如在展开的航空航天变形结构中刚性降低，以及在扭曲的软传感器中灵敏度下降。通过材料设计来打破这种依赖性以提高整体性能一直是一个长期存在的挑战。本研究开发了一种转换方法，用于设计一类能够将机械性能与微观结构和形状变化解耦的超材料。我们制造了这些超材料，并通过实验验证了它们的位移行为对配置变化具有不变性，以及一些前所未有的非传统位移控制功能。我们发现了两种支撑这种有用但看似违反直觉的物理原理：(i) 位移场的不变性是由于物体扭矩自动平衡了由微观结构变化引起的非共线内力；(ii) 定制的位移控制功能是由固定在基底上的Willis弹簧决定的。因此，这些超材料使得能够设计出高度可重构的材料系统，无论其微观结构和几何形态如何，都能展现出定制的变形行为。