图 | 朱睿（来源：朱睿）
作为同行的陈焱也关注到：近年来，面对现代工程装备材料设计中亟需解决的高效波动能量耗散与调控难题，北京理工大学团队与多家顶尖研究所合作，为航天结构微振动控制、水下低频隔声、管路系统减振降噪等难题，提供了诸多原创性解决方案。
于是在一次学术交流活动之后，陈焱和朱睿决定联合开展一项关于折纸结构和模式材料相结合的研究。
具体来说，2019 年，胡更开和朱睿邀请陈焱到访北京理工大学宇航学院开展学术分享。交流中，陈焱介绍了基于折纸的超材料研究方法和成果。
这次交流为两支团队的后续合作创造了契机。不久之后，朱睿来到天津大学可动结构实验室进行学术分享，期间他展示了关于五模超材料的成果，并指出模式超材料的微结构系统设计方法是当前面临的一个巨大挑战。
结合之前的研究经验，陈焱意识到模式超材料的软模式与机构的零能量运动模式有着某种共通之处，而将机构引入模式超材料的微结构设计中，有望解决模式超材料的系统设计问题。
陈焱说：“当时我展示了一个灵巧变形的模块化折纸结构，引起了朱老师极大的兴趣，直觉告诉他这种结构就是一种模式超材料，而且具有构型可变的能力。”
于是，陈焱和朱睿随即安排两位学生（即本次论文的两位共同一作），以这一结构为载体开展研究。
针对二维模式超材料，提出新型设计方案
立项以后，他们先是开展了关于二维模式超材料设计的研究。其中，一种简单的平面四杆机构给课题组带来了灵感，基于此他们提出了以平面四杆机构为基本胞元的机械超材料设计方案。
结合均匀化的理论知识，他们对上述方案做以分析。结果发现：通过改变胞元的折展状态，可以实现从零模到一模、二模甚至三模超材料之间的任意转换。通过此，该团队提出了针对二维模式超材料的设计方案。
然而，对于三维模式超材料的设计，远比二维模式超材料的设计来得复杂。
研究中，他们将二维模式超材料沿面外进行拉伸，结果发现它的机构自由度会被约束在面内。
而要想得到能够覆盖从零模到六模等七种模式超材料的设计，就得在胞元中引入基于机构自由度的空间解耦。
于是，该团队构建出一个空间解耦的三维立方胞元，并利用均匀化方法验证了这种设计的“本领”：即它确实能造出覆盖从零模、到六模等七种模式超材料的机械超材料。
（来源：Nature Communications）
光有“本领”并不足够，还得具备可靠性。为此，他们利用 3D 打印技术制备出一个三模超材料样品。
但是，他们发现打印完成的初版模型，在正交方向上存在明显的各向异性。后来，课题组沿着立方体样品的体对角线，采取逐层打印的方式，基本彻底消除了各向异性。
另外，要想实现七种模式超材料之间的任意转换，必须选用热塑性聚氨酯基体材料，而这也是实现材料重构的关键。
力学实验结果也表明，这种系统设计方法的确具有可靠性，并能为这种机械超材料带来可重构的特性。
（来源：Nature Communications）
另据悉，除了在二维系统和三维系统中展示超材料对于弹性波极化的调控能力之外，他们还开展了难度更大的波动实验。
在波动实验中，他们发现二维模式超材料确实能以可重编程的方式，来对弹性波进行调控。
以零模、一模和二模超材料为例：在单向传输方向上，这些超材料均具有不同的波导功能和滤波功能。
其中，零模超材料可以导通横波和纵波成分；一模超材料能在导通横波的同时，对纵波成分进行阻隔；二模超材料则能同时阻隔横波和纵波成分。
再通过三维解耦设计的框架，就能利用不同方向的配搭，来实现更加复杂的波导控制和波极化控制。
至此，本次研究终于完成。日前，相关论文以《可变形机械超材料的零模式工程》（Engineering Zero Modes in Transformable Mechanical Metamaterials）为题发在 Nature Communications[1]。
北京理工大学博士生胡洲、天津大学博士生魏志波是共同一作, 陈焱教授和朱睿教授担任共同通讯作者。
