向贝壳偷师！逆向设计让它能“抗揍”能“记事”

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一、灵感源自自然：多层结构的力学奥秘

自然界的生物材料，比如贝壳珍珠层，凭借多层微观结构展现出超强的力学性能。这些层间的协同作用，让材料性能远超单一结构。受此启发，研发出具有自由形态分层微结构的材料，能实现多级屈曲失稳和平台响应——这可是单层材料难以达成的挑战。

二、逆向设计：让材料“按需变形”

传统单层材料在实现复杂非线性响应时捉襟见肘，而逆向设计框架能同时优化层内微结构与层间连接。举个例子，拓扑优化就像给材料做“基因编辑”，通过探索整个几何设计空间，精准匹配目标力学曲线。相比机器学习方法，它无需海量训练数据，计算效率更高，还能规避单层设计中常见的内部接触问题。

三、从模拟到实物：多层材料的“诞生记”

通过高精度模拟、混合制造技术和定制实验，让设计落地。比如用3D打印水溶性模具浇筑软质PDMS，再用碳纤维销钉连接各层，形成“刚柔并济”的三明治结构。实验显示，这种材料在拉伸时能实现预设的屈曲失稳，应力-应变曲线与模拟结果高度吻合。

四、多元应用：解锁材料的“十八般武艺”

1.能量dissipation的高手

多层材料在屈曲过程中能高效耗散能量，特别适合振动隔离和震颤抑制设备。比如可穿戴护膝，当关节弯曲到特定角度时，材料会通过屈曲产生触觉反馈，帮助患者监测康复进度。

2.可编程的“能量海绵”

通过设计不同层间连接，材料能实现单级或多级平台响应，就像汽车保险杠——轻度碰撞时用低平台应力吸能，严重碰撞时切换至高平台应力抗冲击。实验中，3×3阵列的材料在拉伸时展现出双阶段应力平台，与理论设计几乎一致。

3.会“讲故事”的材料

利用屈曲顺序的可控性，我们能在材料中编码信息。比如将字母“I”和“D”转化为单元胞的扰动分布，加载到特定应力时，部分单元屈曲形成二进制图案，实现信息存储与解密。

五、挑战与未来：从实验室到现实

尽管前景广阔，多层材料仍面临挑战：微米级制造精度限制、长期循环载荷下的粘合耐久性等。未来，结合立体光刻3D打印和表面处理技术，有望实现更小尺寸、更稳定的结构。或许某天，我们能穿上“材料皮肤”，让建筑拥有“弹性骨骼”，甚至用机械结构书写新的信息时代。

一起来做做题吧

参考文献：

Zhi Zhao et al. Extreme nonlinearity by layered materials through inverse design. Sci. Adv.11, eadr6925(2025).