將物體隱蔽起來使其無法被外界觀察者發(fā)現(xiàn)的隱身衣是超材料領(lǐng)域一直以來的研究熱點(diǎn)。在光學(xué)、熱學(xué)和電學(xué)等領(lǐng)域，與各類物理場相對應(yīng)的隱身衣已實(shí)現(xiàn)實(shí)際的制造。相比之下，針對力學(xué)響應(yīng)場的力學(xué)隱身衣設(shè)計(jì)，相關(guān)研究的進(jìn)展卻較為緩慢，現(xiàn)有的設(shè)計(jì)多局限于簡單形狀的單一空洞及特殊的基體微結(jié)構(gòu)。
近日，上海交大機(jī)械與動力工程學(xué)院朱平教授團(tuán)隊(duì)與美國西北大學(xué)Wei Chen教授團(tuán)隊(duì)及美國加州理工學(xué)院Chiara Daraio教授團(tuán)隊(duì)開展合作研究，基于大型的超材料數(shù)據(jù)庫，提出了一種基于計(jì)算均勻化、拓?fù)鋬?yōu)化和圖模型優(yōu)化的數(shù)據(jù)驅(qū)動設(shè)計(jì)方法，利用超材料高度可調(diào)的力學(xué)性能，實(shí)現(xiàn)一個或多個任意形狀空洞的在各類基體微結(jié)構(gòu)及多種邊界條件下的力學(xué)隱身，提供現(xiàn)有設(shè)計(jì)無法達(dá)到的隱身效果及設(shè)計(jì)自由度。該成果以Mechanical Cloak via Data-Driven Aperiodic Metamaterial Design為論文題目發(fā)表在《Proceedings of the National Academy of Sciences》上。
該設(shè)計(jì)方法是基于超材料庫內(nèi)單胞的材料性能空間，利用均勻化方法將整個超材料結(jié)構(gòu)視作連續(xù)介質(zhì)，使用拓?fù)鋬?yōu)化方法對力學(xué)隱身衣的形狀拓?fù)浼捌鋬?nèi)部材料性能分布進(jìn)行同步的設(shè)計(jì)，再從材料庫中為不同區(qū)域的材料性能篩選出一組對應(yīng)的候選單胞，通過構(gòu)建馬爾可夫隨機(jī)場圖模型，并利用對偶分解算法并行地進(jìn)行圖模型的能量最小化問題求解，從每一候選組中選取一個最優(yōu)的單胞，填充至超材料結(jié)構(gòu)的對應(yīng)區(qū)域，在滿足設(shè)計(jì)性能要求的同時，實(shí)現(xiàn)相鄰單胞在幾何和力學(xué)上的協(xié)調(diào)連接，得到可直接進(jìn)行制造的力學(xué)隱身衣。
圖2 (A~O) 不同結(jié)構(gòu)(均勻、無隱身衣及有隱身衣)及其仿真、實(shí)驗(yàn)實(shí)測位移場對比，(P,Q) 設(shè)計(jì)及實(shí)際制造結(jié)構(gòu)的局部放大圖。
為了驗(yàn)證方法有效性，論文分別設(shè)計(jì)了不同邊界條件、空洞形狀和基體微結(jié)構(gòu)樣式的力學(xué)隱身衣，包括由兩個不規(guī)則孔組成的蝶狀空洞，通過數(shù)值模擬與對3D打印件的實(shí)際實(shí)驗(yàn)測量，對力學(xué)隱身效果進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的力學(xué)隱身衣在各設(shè)計(jì)案例中，均可大幅度降低空洞引起的力學(xué)響應(yīng)擾動，展現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)隱身性能，而所提出方法所特有的自適應(yīng)拓?fù)湫螤钤O(shè)計(jì)，相比傳統(tǒng)固定拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)，能夠進(jìn)一步提高隱身性能。數(shù)據(jù)驅(qū)動框架的引入，實(shí)現(xiàn)了在各異的設(shè)計(jì)條件下，快速獲得對應(yīng)優(yōu)異隱身衣結(jié)構(gòu)的能力，解決了以往方法在應(yīng)用問題上的局限性。未來，該方法有望應(yīng)用于各類具有非均質(zhì)力學(xué)性能要求的工程結(jié)構(gòu)中，如軟體機(jī)器人和仿生假體，實(shí)現(xiàn)定制化和特殊化的設(shè)計(jì)。
圖3. (A)考慮的各類邊界條件, (B) 各類條件下的帶隱身衣前后位移擾動量對比, (C~L)各類隱身衣設(shè)計(jì)及其局部放大圖
上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院博士生王力為是該論文的第一作者，朱平教授、Prof. Wei Chen與 Prof. Chiara Daraio為論文的共同通訊作者。
