北理工團(tuán)隊(duì)在非線性力學(xué)超材料取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2023-08-02 供稿：物理學(xué)院 攝影：物理學(xué)院
編輯：王莉蓉 審核：陳珂 閱讀次數(shù)：
7月25日，Physical Review Letters在線發(fā)表題為“Nonlinear Topological Mechanics in Elliptically Geared Isostatic Metamaterials”（非線性橢圓齒輪力學(xué)超材料）的科研論文。該研究由北京理工大學(xué)物理學(xué)院的姚裕貴教授、周迪副教授和李鋒教授團(tuán)隊(duì)完成，北京理工大學(xué)的博士生馬方垣和湯正為該論文的共同第一作者。北京理工大學(xué)是該研究的第一單位。
自從拓?fù)浣^緣體被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，拓?fù)淠軒Ю碚撘呀?jīng)被應(yīng)用于經(jīng)典體系中，如拓?fù)涔庾訉W(xué)、聲學(xué)和力學(xué)體系，并展現(xiàn)出穩(wěn)定的、受拓?fù)浔Ｗo(hù)的邊界模態(tài)。然而，非線性相互作用可能會(huì)破壞拓?fù)湮镄运枰膶?duì)稱性，使邊緣模態(tài)失去穩(wěn)定性，另一方面，非線性激勵(lì)也會(huì)引入新奇的物理性質(zhì)，如非線性拓?fù)湎嘧?、自誘導(dǎo)拓?fù)溥吘墤B(tài)、拓?fù)涔伦雍头腔ヒ淄負(fù)漭斶\(yùn)。由于非線性問(wèn)題在理論和實(shí)驗(yàn)上都具有極大的挑戰(zhàn)性，目前大多數(shù)拓?fù)溲芯咳跃窒抻诰€性體系，非線性拓?fù)溲芯肯鄬?duì)較少，強(qiáng)非線性拓?fù)涞膶?shí)驗(yàn)驗(yàn)證很困難。
北京理工大學(xué)物理學(xué)院的姚裕貴教授、周迪副教授和李鋒教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種新型的非線性力學(xué)體系，可以通過(guò)孤子波實(shí)現(xiàn)非線性相變。圖1（a）展示了拓?fù)潺X輪的基本單元，其中的非線性源于接觸弧長(zhǎng)與角度之間的非線性關(guān)系；圖1（b）顯示了齒輪鏈條兩側(cè)的轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩差異，左側(cè)幾乎沒(méi)有扭矩（紅線），而右側(cè)存在非零扭矩（黑色曲線）；圖1（c）左側(cè)具有扭矩為零的軟模態(tài)；圖2（d）顯示了孤子波在橢圓鏈條中的自由傳播；圖2（e），當(dāng)孤子波傳播到右側(cè)時(shí)，右側(cè)表現(xiàn)出軟模態(tài)，而左側(cè)則表現(xiàn)為硬模態(tài)。這些研究結(jié)果為非線性拓?fù)涞膶?shí)驗(yàn)驗(yàn)證和應(yīng)用提供了新的思路和方法。
圖1 (a)：橢圓齒輪鏈單元；（b）橢圓齒輪鏈扭矩對(duì)比及其與齒輪數(shù)的關(guān)系；（c）軟模在左側(cè)，左邊可以自由扭動(dòng)；（d）孤子波傳播；（e）軟模在右側(cè)，右側(cè)可以自由扭動(dòng)。
該團(tuán)隊(duì)利用上述一維鏈作為基本單元，構(gòu)建了支持非線性拓?fù)湎嘧兊亩S力學(xué)模型。如圖2（a，b）所示，該體系可以通過(guò)集體孤子波實(shí)現(xiàn)拓?fù)湎嘧?，拓?fù)湎鄨D如圖2（c）所示，圖2（d，e，f，g）展示了該二維體系由“右邊軟”，轉(zhuǎn)變?yōu)椤白筮呠洝?，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了超材料兩側(cè)邊界剛度對(duì)比完全翻轉(zhuǎn)。
圖2 (a，b)：二維橢圓齒輪鏈單元及其放大圖；（c）二維橢圓齒輪鏈拓?fù)湎啵╠，e，f，g）二維拓?fù)潺X輪超材料由“右邊軟”轉(zhuǎn)變?yōu)椤白筮呠洝薄?/span>
在理論方面，該論文提出的非線性拓?fù)洳蛔兞?，將拓?fù)淞W(xué)從線性領(lǐng)域擴(kuò)展到了非線性領(lǐng)域。在應(yīng)用方面，這種具有強(qiáng)烈非對(duì)稱扭矩的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)材料在許多領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。拓?fù)湎嘧兪沟貌牧媳砻婢哂锌烧{(diào)的軟硬性，其中一側(cè)具有柔軟的能量吸收能力，而另一側(cè)則具有高強(qiáng)度和抗破壞性。這種材料可以被應(yīng)用于許多方面，例如免充氣的輪胎，其中輪胎的柔性外側(cè)可以產(chǎn)生大的變形，以適應(yīng)道路起伏，而內(nèi)側(cè)具有拓?fù)浞€(wěn)定性，從而提高交通工具的舒適性。此外，這種材料還可以應(yīng)用于無(wú)人機(jī)和可重復(fù)使用的航天零部件，可以在起飛時(shí)變得剛性，在著陸時(shí)變得柔性等。
論文鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.046101
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