清華新聞網(wǎng)8月20日電 電磁波、聲波和彈性波等波導(dǎo)可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的高效定向傳輸，在通信、成像和信號(hào)隔離等方面得到了廣泛應(yīng)用。材料的靜態(tài)變形不同于波的傳播，由于缺少動(dòng)態(tài)效應(yīng)，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)夾雜和對(duì)稱(chēng)性破缺等缺陷的免疫，通常是缺陷敏感的。這也意味著變形容易在缺陷、無(wú)序及尖端等力學(xué)奇點(diǎn)處聚集。若能類(lèi)似動(dòng)態(tài)波導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)靜載作用下聚集化變形的定制（我們稱(chēng)之為靜態(tài)應(yīng)力波導(dǎo)，stress guide），無(wú)疑將在應(yīng)力屏蔽、能量收集、機(jī)械計(jì)算及信息存儲(chǔ)等諸多方面存在廣闊的應(yīng)用前景。
近期，清華大學(xué)航天航空學(xué)院陳常青教授課題組基于靜態(tài)變形場(chǎng)的空間分布與波的時(shí)域演化之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，提出了靜態(tài)應(yīng)力波導(dǎo)的概念，建立了力學(xué)超材料的聚集化靜態(tài)變形表征理論，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)力沿指定路徑的聚集和靜態(tài)變形信號(hào)的定向傳輸。
針對(duì)二維/三維周期性力學(xué)超材料，課題組揭示了低維動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中的時(shí)間軸與高維靜態(tài)系統(tǒng)中某一空間軸的對(duì)偶關(guān)系，從而可將變形場(chǎng)在空間內(nèi)的定向分布映射為波包在介質(zhì)中的非互易傳輸。利用時(shí)空對(duì)偶關(guān)系，可在靜態(tài)力學(xué)超材料中定義“波包”“群速度”等一系列動(dòng)力學(xué)參量。若一個(gè)靜態(tài)波包的群速度非零，就會(huì)類(lèi)似于波動(dòng)力學(xué)中的波導(dǎo)和非互易系統(tǒng)中定向傳輸?shù)牟ǎ瑧?yīng)力將沿著空間內(nèi)的某一路徑單向聚集，從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)力的導(dǎo)向，即靜態(tài)應(yīng)力波導(dǎo)（圖1所示即為X型力學(xué)超材料中沿著不同指定路徑的靜態(tài)應(yīng)力波導(dǎo)）。
圖1.X型力學(xué)超材料中的靜態(tài)應(yīng)力波導(dǎo)及其定制
課題組還揭示了靜態(tài)系統(tǒng)中點(diǎn)群對(duì)稱(chēng)性（如鏡面對(duì)稱(chēng)）與動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中某些內(nèi)部對(duì)稱(chēng)性（如時(shí)間反演對(duì)稱(chēng)）之間的內(nèi)稟關(guān)聯(lián)。由此可通過(guò)改變對(duì)稱(chēng)性來(lái)定制材料的有序變形圖案。在此基礎(chǔ)上，課題組利用拓?fù)淠軒Ю碚摚陟o力學(xué)系統(tǒng)中構(gòu)造出了非對(duì)稱(chēng)的變形阻塞模式，將偏心載荷完全局域在邊界處，實(shí)現(xiàn)材料內(nèi)部的靜力學(xué)屏蔽（圖2）。
圖2.基于非對(duì)稱(chēng)變形阻塞模式實(shí)現(xiàn)的X型力學(xué)超材料偏心載荷的靜力學(xué)屏蔽
近日，相關(guān)研究成果以“力學(xué)超材料中的靜態(tài)應(yīng)力波導(dǎo)”（Stress guides in generic static mechanical metamaterials）為題，發(fā)表于《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》（National Science Review）。研究展示出周期性胞原材料及連續(xù)介質(zhì)中靜態(tài)應(yīng)力波導(dǎo)的可定制性及廣泛存在性，也為研究非保守動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中波的非互易傳輸提供了全新平臺(tái)。
清華大學(xué)航天航空學(xué)院教授陳常青為論文通訊作者，2021級(jí)博士生王澳西為論文第一作者。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)項(xiàng)目和創(chuàng)新群體項(xiàng)目的支持。
近年來(lái)，陳常青課題組在力學(xué)超材料領(lǐng)域取得了一系列成果，包括靜態(tài)孤子、靜態(tài)拓?fù)淞W(xué)、多路徑變形力學(xué)超材料以及可重編程機(jī)械邏輯超材料、類(lèi)腦機(jī)械計(jì)算和具有信息編碼和存儲(chǔ)等能力的智慧型/自認(rèn)知力學(xué)超材料。
論文連接：
https://doi.org/10.1093/nsr/nwae110
供稿：航院
題圖設(shè)計(jì)：梁晨
編輯：李華山
審核：郭玲
