麻省理工Nature Materials：解锁超材料韧性密码——双网络纠缠+缺陷分散，让能量耗散与拉伸性齐飞

解决的问题：传统机械超材料难以在低密状态下同时实现高刚度与高拉伸性，存在显著的刚度-拉伸性权衡，而双网络水凝胶的优异韧性和能量耗散能力为突破这一局限提供了灵感。

提出的方法：受双网络水凝胶启发，将整体桁架（刚性）与编织（柔性）组件集成于超材料架构，通过层间增材制造实现两种网络的空间交织，设计出双网络启发超材料（DNI），模仿刚性与柔性网络的协同变形机制。

实现的效果：DNI 超材料相比纯组件实现刚度与拉伸性提升十倍，通过引入内部缺陷使能量耗散增加三倍，展现出超高比能量耗散（超过传统超材料）和拉伸性（极限拉伸超过 4），并通过缺陷工程实现失效分散，提升抗损伤能力。

创新点：将双网络概念引入超材料设计，通过结构集成而非多材料工艺，利用网络间摩擦耗散和缺陷诱导的失效分散，突破传统超材料的性能权衡，为聚合物网络启发的超材料设计提供新范式。

研究成果以题为 “Double-network-inspired mechanical metamaterials” 发表于《Nature Materials》上。麻省理工学院机械工程系James Utama Surjadi为论文第一作者，Carlos M. Portela为论文通讯作者。

摘要：机械超材料可在低密度下实现高刚度和强度，但其延展性和拉伸性往往较低，这是材料领域长期存在的权衡问题。相比之下，双网络水凝胶具有互穿的柔性和刚性聚合物网络，展现出前所未有的高刚度与拉伸性结合，实现卓越韧性。本文提出双网络启发超材料，通过将整体桁架（刚性）和编织（柔性）组件集成到超材料架构中，相比纯组件实现刚度和拉伸性十倍提升。非线性计算力学模型表明，DNI 超材料增强的能量耗散源于网络间纠缠引起的摩擦耗散增加。通过引入通常会降低机械性能的内部缺陷，我们通过失效分散实现了能量耗散三倍提升。这项工作为受聚合物网络拓扑启发的高顺应性超材料开发开辟了新途径。

结论：提出了一种受双网络水凝胶启发的机械超材料设计框架，成功实现高刚度与拉伸性（超过 4）的结合。不同于以往仅依赖多稳定性或断裂的能量耗散方法，我们的方法通过 DNI 晶格中的纠缠摩擦耗散实现超高能量耗散，超越了编织和整体组件的组合能力。反直觉的是，工程内部缺陷在 DNI 晶格中显著提升了能量耗散，与传统缺陷降低性能的认知相反，实现了比纯编织和整体超材料高三倍的能量耗散，结合了超高比能量耗散和拉伸性。断裂实验和含摩擦接触与失效的非线性计算模型表明，DNI 超材料相比传统整体桁架超材料具有更好的缺陷耐受性，展现出与双网络水凝胶相似的响应。该设计框架为开发具有独特机械响应的聚合物网络启发超材料提供了可能，适用于多种工程领域。例如，在仿生支架和植入物中，可在不牺牲变形能力的前提下增强刚度；在柔性压力传感器中，可调刚度与保留的拉伸性可缓解现有传感器的灵敏度 - 压力范围权衡。此外，DNI 超材料与双网络水凝胶的相似机械响应使其成为理解复杂聚合物网络力学的有价值工具，尤其适用于纠缠起关键作用的聚合物系统。我们展望这一框架为高效优化复杂聚合物网络拓扑和启发新型聚合物系统开发奠定基础。

图1：双网络启发超材料（DNI）。

图2：DNI 超材料的方向刚度。

图3：DNI 单元晶格（UC）的原位单轴拉伸实验。

图4：DNI 架构的非线性有限元建模。

图5. 通过工程缺陷分散 DNI 超材料的失效。

图6：整体和 DNI 超材料的断裂实验。

文章信息：

Surjadi, J.U., Aymon, B.F.G., Carton, M. et al. Double-network-inspired mechanical metamaterials. Nat. Mater. (2025).

https://doi.org/10.1038/s41563-025-02219-5