彈性超材料是一種人工復(fù)合材料，其具有自然材料所沒有的各種特殊性能，如負(fù)有效質(zhì)量密度，負(fù)有效模量，負(fù)泊松比等等，因此，它在先進(jìn)的工程應(yīng)用如隔振，導(dǎo)波，亞波長聚焦，隱形斗篷等中具有很大的發(fā)展前景。

    彈性超材料有一個十分顯著的特點：由于嵌入單元中的單位的局部共振，從而可以在相對較低的頻率范圍產(chǎn)生帶隙。但是，傳統(tǒng)的彈性超材料由于其固定的微結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致它只能在固定頻率下工作，并且還只有一個功能，這就限制了彈性超材料的應(yīng)用。為了打破限制，在不同的外部環(huán)境下，彈性超材料就需要具有可調(diào)的性質(zhì)，其可以通過調(diào)整局部諧振器的諧振頻率實現(xiàn)。然而，這種調(diào)整方法需要人們精巧地設(shè)計局部共振單元或整體結(jié)構(gòu)，并且要以簡單的方式觸發(fā)局部諧振變換，這項工作很難實現(xiàn)，特別是在較低的頻率下。因此，如何用可調(diào)的方式在低頻下拓寬帶隙范圍是傳統(tǒng)彈性超材料的一個挑戰(zhàn)。

    北京理工大學(xué)張凱（通訊作者）等人通過3D打印技術(shù)制備了一種可調(diào)的數(shù)字彈性超材料，其包括一個主框架和嵌入式電磁鐵的輔助梁。通過轉(zhuǎn)換電磁鐵的模式（接觸（1位），分離（0位））可以激活超材料不同的波導(dǎo)。并且研究人員還對其基本機(jī)制進(jìn)行了理論和實驗研究。通過分層組裝單元組件可以讓人們通過編程的方式拓寬超材料的帶隙，為許多工程領(lǐng)域的振動隔離提供了一種新途徑。

    【圖文導(dǎo)讀】

    【圖1】 數(shù)字超材料的結(jié)構(gòu)

    （a） 12×12單元陣列的3D打印的超材料

    （b） 超材料的一個單元：包括一個方形框架，兩對梁，兩個電磁鐵

    （c） 分離（Det）和接觸（Att）模式的轉(zhuǎn)換，由直流開關(guān)實現(xiàn)

    （d）、（e） 超材料中波的傳播實驗和數(shù)值模擬研究

    【圖2】 具有內(nèi)部諧振器的一維彈簧質(zhì)點格子的理論和實驗分析

    （a）分離（Det）和接觸（Att）下，1維彈簧質(zhì)點格子單元的示意圖

    （b） 分離和接觸模式下，單元的有效質(zhì)量

    （c） 分離（紅點和紅線）和接觸（藍(lán)圈藍(lán)虛線）模式下，5個單元的實驗和理論透光率

    【圖3 】分離和接觸模式下，超材料的能帶結(jié)構(gòu)

    （a）分離模式下，超材料的能帶結(jié)構(gòu)

    （b）接觸模式下，超材料的能帶結(jié)構(gòu)

    【圖4】 具有可調(diào)諧超材料表面涂層的柔性基塊與智能器件

    （a） 具有可調(diào)諧超材料表面涂層的柔性基塊

    （b） 基塊控制波的傳播

    （c） 輔助梁上的具有壓電薄膜的智能器件，其可以隔離有害振動并創(chuàng)建一個受保護(hù)的內(nèi)部環(huán)境，具有自主感知、自主反應(yīng)和自供電的特點