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  突彈跳變不穩(wěn)定性普遍存在于自然生物系統(tǒng)中，以確保動植物生存。例如，捕蠅草葉片可以通過在兩種穩(wěn)定的平衡狀態(tài)（打開的凸形和閉合的凹形）之間快速切換來捕獲獵物，以及其他突出的例子（例如，蜂鳥快速閉合的喙，雀尾螳螂蝦的極快速打擊，以及高速奔跑中獵豹的脊椎）。最近，在設(shè)計中集成突彈跳變不穩(wěn)定性以產(chǎn)生雙穩(wěn)態(tài)，多穩(wěn)定性，或可編程行為等方面取得了重大進展，但對突彈跳變不穩(wěn)定性的利用仍然缺乏靈活的功能應(yīng)用和與信息相結(jié)合的能力。主要有三個局限性：i）單胞基序的單一變形模式，ii）有限的設(shè)計空間，以及iii）變形運動與信息相結(jié)合的障礙。超材料的最新發(fā)展引入了一種靈活且實用的組裝策略，該策略不局限于制造技術(shù)，可以集成多種材料系統(tǒng)。如何基于裝配策略巧妙地利用雙穩(wěn)態(tài)單元已成為拓寬靈活功能應(yīng)用的基石。然而，傳統(tǒng)的雙穩(wěn)態(tài)元素，如受約束的傾斜/余弦梁或三維淺穹頂?shù)龋芷涔潭ㄟ吔缂s束的限制導(dǎo)致其具有有限的變形模式和單一的功能特性。這一局限性對利用雙穩(wěn)定性實現(xiàn)高級功能應(yīng)用提出了挑戰(zhàn)。因此，開發(fā)面向功能/應(yīng)用的雙穩(wěn)態(tài)單胞基序是非常必要的，這有利于開發(fā)創(chuàng)新功能，例如圖案加密設(shè)備，可編程摩擦納米發(fā)電機，傳感/記憶設(shè)備和邏輯計算裝置等。

  針對以上問題，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（HIT）冷勁松院士團隊近日在《Advanced Functional Materials》上發(fā)表題為“A Flexibly Function-Oriented Assembly Mechanical Metamaterial”的文章。

圖1 概述圖。A）受青蛙跳躍過程中后腿啟發(fā)的雙穩(wěn)態(tài)單胞基序的演化改進設(shè)計過程以及其具有代表性的雙穩(wěn)態(tài)力-位移（F-D）曲線。B）單胞基序的幾何參數(shù)（初始傾斜角度θ，臂厚度t和間隙f），1/4單胞基序的典型簡化變形圖，以及利用齒輪、軸承和框架構(gòu)建的具有理想邊界約束的裝配示意圖

圖2 可按需組裝的功能性力學(xué)曲線探索

圖3 機械-溫度雙模式圖案加密-解密策略

圖4 非易失性機械邏輯超材料

  綜上所述，他們提出了一種受青蛙跳躍過程中后腿啟發(fā)的單胞基序，并提出了一種靈活的超材料組裝策略。這種異質(zhì)組裝有效地提供了廣泛的設(shè)計空間，并能夠?qū)崿F(xiàn)許多面向功能的應(yīng)用，例如緩沖器、能量吸收器、圖案加密和機械邏輯計算設(shè)備。基于不同力學(xué)性能的單胞基序，通過有限元和實驗方法驗證了組裝具有定制功能特性機械超材料的可行性。此外，所引入的圖案加密策略可以實現(xiàn)可逆、可重編程、更安全的雙模式加密/解密。最后，構(gòu)建了5個基本的機械邏輯門和一個組合半加法器，可以很好地執(zhí)行非易失性邏輯運算。展望未來，放大的力輸出，機器學(xué)習(xí)或新的計算框架可能是非易失性機械邏輯計算的理想研究方法。并且，將刺激響應(yīng)特性引入裝配策略將是組裝力學(xué)超材料未來研究的重要手段，這將使其更加智能化。

  論文的第一作者哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士生岳成斌，副教授趙偉為論文共同第一作者，劉彥菊教授和劉立武教授為共同通訊作者，哈爾濱工業(yè)大學(xué)冷勁松院士，副教授李豐豐，博士生李炳勛為共同作者。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金大力支持。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202316181