0/1与无穷-可调数字超材料

am-zhangkai近日,北京理工大学宇航学院细观力学课题组的张凯讲师及其硕士生王子巍和博士生张泉以及胡更开教授,利用材料基因和信息比特的概念,设计并制造了一种可调节的数字化超材料,实现了超材料的数字化以及对弹性波传播的控制。

超材料是一类具有自然材料所不具备特质的人工复合材料,可应用于高效雷达制备、隐身结构设计、无损检测、振动隔离和抗震保护等重要工程领域。传统超材料只在特定的频率范围内有效,极大地限制了其应用范围。为了突破传统超材料的局限,课题组设计了一种全新模块化的可调数字弹性超材料,通过3D打印技术制造了周期结构基体,并在单胞内布置了电磁铁作为局域共振体和控制调节器。类比于二进制中每一位0/1比特的切换,超材料可通过连接电磁铁的外部直流电路独立控制电磁铁通断电状态,进而可控制两电磁铁分离或结合,使得单胞构型在分离(0比特)和结合(1比特)两种状态间切换,并可由此可控制超材料禁带的开闭。同时,由于0比特单胞会阻隔禁带频率范围内的波,通过切换特定位置单胞0/1比特状态,该数字超材料可实现任意形状的由1比特单胞组成的波导,即对波的传播路径进行调节。另外,通过调控0/1比特状态的单胞个数及分布,可对超材料禁带的位置及宽度进行连续精准调节,具有传统的超材料无法实现的多自由度调节的能力。

该数字超材料可作为超表面附着于柔性均质材料表面,实现对均质材料中波传播的有效控制。另一方面,结合压电俘能技术,可将波动引起的结构变形能转换为电能,并通过该电能调控边界单胞的开闭,实现波的转移以及对材料内部环境的保护。这种具有自感知、自供电、自执行的智能化自主隔振数字超材料可被用于大型机械设备中,实现对精密电子部件的保护。

该研究的相关论文已发表于Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201604009)上。