授权翻译：力学超材料简述

原作者： @QuYln

翻译： @Lola Hu

原文章地址： Mechanical Metamaterials Introduction

参考文献:

Mechanical metamaterials associated with stiffness, rigidity and compressibility: a brief review.

定义：

超材料并非通常意义上的材料。它们是在自然环境下无法形成的人工制品。力学超材料是一种人工结构体，它们拥有与常规力学性质相悖的属性，这源于微结构单元的几何结构而不是它们的各个组份。

示例：

我们有必要先阐明超材料和光子晶体的区别。

光子晶体中晶胞的周期和大小是由光波波长来进行比对的，然而超原子的大小远小于光波波长测量范围。

重中之重在于，光子晶体可以散射光，然而超材料由于自身产生电磁场使光路弯曲。因此超材料可以被认为是有效介质而光子晶体则不能。

所需弹性常数：

杨氏模量（E），剪切模量（G）,体积弹性模量（K）以及泊松比（υ）这四个弹性常数中，前三个量与材料的刚度以及压缩性一一对应。

超材料分类：

轻质，高刚度，可控刚度，削弱剪切模量，负体积压缩，负泊松比。

注解：

超材料非比寻常的属性来源于它们的构造几何学特质而不是它们的材料成分。这也是形成力学超材料或结构超材料的必要性质。

发展前景：

合理设计的三维超材料的生产和测试只是刚刚兴起。

超流体：

用以表现出无剪切力的声构超材料可以大体上被归类于一类独立存在的超流体力学超材料。

隐身斗篷也可以被视为超流体，即五模式超材料。

超材料的历史展望：

研究历史展望的目标在于探索理论背后的客观原理，总结出发展趋势，面向于在多样的超材料中，力学超材料所扮演的角色，并最终发掘出该领域的有待研究之处。

下面我们来介绍这种智能超材料在五大基础研究领域内的应用：

（i）针对多场耦合机制的研究：对于光学超材料的传统研究方向而言，它可以联同其他的物理场（如电场、力场）作用，从而制造一种与声学、力学、热力学耦合相应的智能超材料。

（ii）原子或分子水平的微结构单元的设计：当制造一种微米或纳米水平的新型超材料时，这些超材料的晶粒尺寸效应将无法忽略不计。此外，微结构单元水平材料的失效模式在不同的超材料的结构设计中也添上了浓墨重彩的一笔。

（iii）与天然材料的结合：近十年后，超材料的拓扑结构设计将重新回到通过自然材料激发出最优化结构的灵感中去。但这并非是传统意义上的仿生学方法，我们试图去创造如压电灵敏度可调性等天然材料所不具有的性质。 因此，我们面临的主要挑战在于超材料与天然材料结合以求得到我们所需要的力学性质。

（iv）超材料的工业用途：这个研究方向适用于已经研发出来的智能超材料，并使它们成为基础研究和工业应用的纽带。

（v）通过超材料的传感功能研发新的产品：这个研究方向的目标在于通过即有的光学及声学超材料来开发应用于工业的新产品。工业应用的发展重点在于现代产品技术上的生产与控制。通过利用基因工程及其相关的制造技术，我们可以模拟或数值模拟10种智能超材料中的两项技术。