Advanced Materials | 磁控可编程机械超材料

解决的问题：传统机械超材料的机械性能主要由固定几何结构决定，可调性有限，且缺乏对静态与动态响应（如刚度、能量吸收）的独立调控能力，难以适应复杂载荷环境下的多功能需求。

提出的方法：通过在旋转方形超材料单元中嵌入永磁体，系统调控磁体的定向、剩余磁化强度及刚度，并结合外部磁场，实现对超材料静态压缩响应与动态冲击响应的可编程调控。

实现的效果：通过磁体配置（ repulsive/attractive 相互作用）和外部磁场，实现了超材料刚度 138% 调制、屈曲力 210% 提升、结构功 181% 增强，以及动态冲击下 75% 的冲击器停滞时间调节和 37% 的能量吸收调制，且可通过非均匀磁体分布解耦静态与动态响应。

创新点：通过被动磁相互作用（磁体定向、磁化强度）与主动外部磁场结合，实现机械超材料在静态压缩与动态冲击下的可编程响应，突破传统超材料依赖固定几何结构的局限，为可调阻尼、抗冲击结构设计提供新路径。

研究成果以题为 “Reprogrammable Mechanical Metamaterials via Passive and Active Magnetic Interactions” 发表于《Advanced Materials》上。马德里卡洛斯三世大学Carlos Perez-Garcia 为论文第一作者，哈佛大学工程与应用科学学院Katia Bertoldi和马德里卡洛斯三世大学Daniel Garcia-Gonzalez 为论文共同通讯作者。

摘要：本研究通过实验展示了嵌入永磁体阵列的旋转方形机械超材料的可编程性，系统研究了磁体定向、剩余磁化强度和刚度对超材料静态与动态响应的影响。结果表明，通过精准调节超材料内的磁体定向，可在静态和动态载荷下实现显著的响应可调性。更复杂的磁节点配置可通过解耦准静态应力 - 应变行为与冲击载荷下的能量吸收来优化特定结构响应。此外，外部磁场可进一步增强可编程性，调节结构内的磁相互作用。该工作为开发可通过磁元件重分布或外部磁场实现机械响应可调的工程结构组件铺平了道路。

结论：本研究通过磁相互作用实现了机械超材料的可编程性，证明了通过策略性分布永磁体及其定向，可显著调制超材料的准静态和动态结构行为。外部磁驱动进一步提升了结构可调性，提供了两种调制方式：通过外部磁场快速调节，或通过磁体重分布实现较慢的响应重构。关键创新在于解耦静态与动态响应，例如通过非均匀磁节点分布实现特定载荷条件下的独立调控，为适应复杂载荷环境提供了新途径。研究展示了超材料在刚度、能量吸收、冲击器停滞时间等关键机械性能上的显著调制能力（如静态刚度调制 138%、动态能量吸收调制 37%），并验证了磁体刚度和剩余磁化强度对结构响应的协同影响。未来方向包括开发计算优化工具、探索软磁弹性体应用，以及拓展至可穿戴设备、抗冲击结构等领域。该工作为可编程机械超材料在智能结构、阻尼系统和能量吸收装置中的应用奠定了实验和理论基础。

图1：磁响应单元的力学与结构响应。

图2： 大型磁响应超材料的静态响应。

图3：主动和被动可重编程冲击响应。

图4：基质刚度对主动和被动冲击响应的影响。

图5. 空间磁调制对静态和冲击响应的影响。

文章信息：

C. Perez-Garcia, R. Zaera, J. Aranda-Ruiz, G. Bordiga, G. Risso, M. L. Lopez-Donaire, K. Bertoldi, D. Garcia-Gonzalez, Reprogrammable Mechanical Metamaterials via Passive and Active Magnetic Interactions. Adv. Mater. 2025, 2412353.

https://doi.org/10.1002/adma.202412353