21 世纪伊始，英国物理学家约翰·彭德里（John B.Pendry）提出了拥有负折射率的电磁超材料，自此掀起了超材料研究的旋风。
此后二十年间，关于超材料的研究逐渐扩展到光学、声学、热学、力学等多个领域，并发展成一个涵盖物理学、通信、材料、数学、力学、机械等多学科的的交叉型研究领域，同时也把功能材料的设计和开发带入一个全新境地，引发了信息技术、国防工业、微细加工技术等领域的重大变革。
美国国防部已将超材料列为“六大颠覆性基础研究领域”之一，中国也已将其列入《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》。对于超材料的研究，已经成为全球学界激烈竞争的热门前沿科技之一。
机械超材料：超材料在力学领域的拓展
作为超材料在力学领域的拓展，机械超材料由人工设计的亚波长微结构所构成，它可以极大扩展材料的力学属性选择空间。
机械超材料具备天然材料所不具备的超常规的力学属性：比如负泊松比、极端模量、强度等静态属性，以及负等效密度、负等效模量、负折射率等动态属性。
其中，机械超材料的动态属性，让声波和弹性波传播的精确操控成为可能。
随着机械超材料的迅速发展和工程需求的日益提高，可编程、可调控的机械超材料成为人们追求的目标。
此外，模块化折纸等柔性结构，也为超材料带来了大变形可重构特性、以及零能量变形模式。零能量变形模式，指的是材料或结构几乎不消耗能量的一种变形模式，水的流动便是这种模式的典型代表。
在零能量变形模式中，最引人注目的应用当属五模式超材料，它能被用于设计声学“隐身”斗篷。
所谓五模，指的是这种弹性介质在满足弹性刚度矩阵的 6 个特征值中，其中有 5 个特征值为零，因此只能承载静水压载荷。简单来说，就是五模式超材料具备“流体”的性质。
近年来，有关五模超材料的声学性质和潜在应用，已被得到广泛研究。自然而然地，科学家们也开始思考：在其他模式的材料里，是否存在更新奇的波动现象？
要回答这一问题，首先要提出模式材料的设计方法。基于此，天津大学陈焱教授和团队希望寻找一个包含所有模式材料的设计体系，从而实现零模、一模、二模、三模、四模、五模、直至六模超材料的可逆转换。
图 | 陈焱（来源：陈焱）
一场跨越天津和北京的合作
在近期一项工作中，她和合作者以模块化折纸作为设计工具，从最简单的平面四连杆机构出发，设计了三维正交运动、自由度解耦的机构胞元。
其中，对于正交方向上的模式数目，可以通过连杆的展开和折叠来进行解耦控制。
基于此，课题组提出了一种新的变构型超材料。借助本次研究，该团队在二维空间和三维空间中完成了所有模式数的覆盖，并通过 3D 打印热塑性聚氨酯材料的方式获得了样品材料，也成功验证了多种参数配置下超材料的静力学特征。
例如，在三模构型之下，超材料只能承载来自三个正交方向的压缩载荷，并不具备承受剪切的能力；
而在变换到五模构型之后，超材料只能承载来自单个方向的压缩载荷，无法承载剪切加载和其余方向的压缩加载。
这种奇特的静力学响应特性，说明这种超材料具备可定制弹性张量的属性。而在弹性波的控制上，它也能表现出一系列非常规的动态性能。
这样带来的好处是：在三维解耦设计的框架之下，课题组得以利用不同方向的组合，来实现更复杂的波导和波极化控制。
在应用前景上：
首先，这种变构型模式超材料可被用于弹性波的三维极化控制，从而创建类似于电子拓扑绝缘体的机械波拓扑态；
其次，通过对其线性特性的重编程、以及非线性特性的可逆切换，可以造出多功能的波动器件，从而用于水下通信、无损检测和医学成像等领域。
可以说，本次成果是可编程变构型设计在声学超材料领域的一次探索，也为这种设计在电磁学、光学等领域的应用提供了参考。
据陈焱介绍，在持续二十年的发展中，超材料经过了从二维电磁超表面到三维的机械、热学、声学、光学超材料的发展历程。
如今，针对超材料的设计，已经从定性设计进入可编程、可调控定量设计的阶段。对于超材料的物理性能调控来说，也面临着愈加丰富的需求和挑战。
不过学界早已找到应对的方案——机构胞元。凭借多样性的运动路径、以及大变形的特点，机构胞元为大变形的超材料带来了新的设计途径。
多年来，陈焱课题组深耕于基础机构学理论的探索，并将其实践于折展结构的研究中。
2015 年，陈焱团队提出了全新的厚板折纸理论模型，破解了“厚板结构难以折叠”这一困扰学界和业界长达五十余年的难题，借此成为第一支在 Science 发表相关论文的来自机构学领域的课题组。
此后，陈焱实验室又从机构领域延伸到结构领域，提出了基于折纸的新型轻质结构与大变形超材料设计理论，借此获得了一系列超材料，它们均拥有负泊松比、可调刚度等特性。
另一方面，北京理工大学的胡更开教授和朱睿教授的课题组，长期从事力学超材料设计与波动力学研究。2014 年，朱睿利用力学超材料实现了亚波长尺度下弹性波的负折射。
