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  6月8日，清華大學航天航空學院張一慧副教授課題組與北京理工大學教授、清華大學雙聘教授方岱寧課題組合作，在《科學進展》（Science Advances）期刊上發表了題為《具有非常規溶脹行為及可調控應力應變曲線的軟質力學超材料》（Soft mechanical metamaterials with unusual swelling behavior and tunable stress-strain curves）的研究論文，系統報道了一類具有負溶脹等非常規溶脹性質以及可調控“J”型應力-應變曲線的軟質力學超材料。

  具有極端面積/體積變形能力的超材料在航空工程、光學和微電子領域有著廣泛的應用。然而現有的負溶脹超材料變形范圍較小，且不具備各向異性的性質，很難實現對材料面積/體積變化的大幅調控，在很大程度上限制了該類力學超材料的發展和應用。 

A圖為網狀材料吸水和脫水過程中的構型演變。B圖為溶脹應變隨時間演變的曲線圖。C圖為對應吸水/脫水狀態下的應力-應變曲線。比例尺為40毫米

  為解決上述問題，張一慧副教授課題組提出了一種基于平面點陣的異質材料組裝設計。該設計基于復合梁的偏心原理，利用不同層材料吸水變形過程中膨脹變形的差異，實現網狀材料整體的較大膨脹和收縮。其微結構采用了馬蹄形的三層夾心設計，有效解決了變形過程中界面分離以及結點自接觸的問題。結合先進增材制備技術，利用高精度多材料光固化噴墨型3D打印機，實現了該網狀超材料的數字化制備。

  在《科學進展》論文中，研究團隊首先展示了網狀材料的吸水變形和脫水回復的過程，驗證了網狀材料的變形可逆性；詳盡闡述了網狀材料的變形機制以及調控原理，建立了定量的力學預測模型；通過有限元仿真和理論分析，提出了具有非常規溶脹行為的超材料設計方法，并實現了網狀材料力學性質的各向異性調控。研究表明新設計的網狀材料具有獨特的“J”型應力-應變曲線，通過控制吸水時間，可以精確控制網狀材料的彈性模量及臨界應變等力學性質，在可展開天線和軟體機器人的構型主動控制方面有著重要的潛在應用。

各向異性大溶脹行為設計，其中紅線表示本項工作中展示的溶脹行為

  張一慧副教授與方岱寧教授為本文的共同通訊作者。清華大學航院2016級博士生張航為本文的第一作者。合作者包括清華大學航院博士后郭曉崗和2014級本科生鄔軍。該研究成果得到了國家自然科學基金項目、中組部青年千人計劃項目和清華信息科學與技術國家實驗室的支持。

  論文鏈接：http://advances.sciencemag.org/content/4/6/eaar8535