Page 13 - 机械工程材料2024年第十一期
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姜丽云，等：工程领域负刚度超材料的研究进展
2.4 船舶工程 有系统的兼容性问题。
在船舶工程领域，关于负泊松比船用超材料的
3 负刚度超材料的发展趋势
研究较多，负刚度超材料一般用于新型船体吸能和
抗冲击结构设计。任晨辉 ［3］ 设计了新型负刚度超 负刚度超材料在吸能隔振和抗冲击等方面具有
材料抗冲击基座和负刚度超材料抗冲击船底结构， 独特优势，但其应用仍面临着很多挑战：负刚度超材
探索了负刚度超材料在船舶结构设计上的应用。 料的结构通常较为复杂，设计和制造过程需要高精
BODAGHI等 ［43］ 设计的负刚度超材料护舷具有高可 度和先进的技术；其生产成本较高，难以实现大规模
恢复性、高能量吸收和高耗散能力。张栗铭 ［44］ 等指 制造和集成；在某些条件下，负刚度超材料可能会出
出负刚度超材料的可设计性有望解决船舶抗冲击、 现性能不稳定现象，特别是在极端环境或长时间使
轻量化和减振降噪等问题。目前，船用超材料的大 用后，性能可能会下降；其工作范围有限，通常只在
尺度、高效、低成本制造技术等问题亟待解决。 特定的频率范围或应力水平下才能表现出最佳性能；
2.5 抗震减灾 作为一个相对较新的领域，负刚度超材料缺少标准
负刚度超材料在建筑领域的应用研究主要围绕 化和认证体系，这可能会影响其在工业中的广泛应
［45］
减震设计展开。KIRAN 对调谐质量阻尼器和负 用。为了克服这些挑战，多功能化设计、智能化设计、
刚度阻尼器进行优化组合，优化后的组合在实际地 多尺度研究、大规模制造、标准化认证及跨学科合作
震激励下表现出优异的减震性能。赵春风等 ［46］ 基于 是负刚度超材料未来的发展趋势。
局域共振理论设计了一种十字形梯度抗震超材料， 人工智能技术的发展为负刚度超材料的设计
该超材料带隙较宽且易调节，能够有效衰减地震波。 提供了新方向。赵哲等 ［50］ 为改进非线性隔振器性
LI等 ［47］ 基于地震兰姆（lamb）波和面波设计了径向 能，通过机器学习与有限元分析对初始结构进行优
梯度超元胞地震超材料，其单胞的填充率呈梯度变 化，得到了综合性能最佳的负刚度超材料结构参数。
化，对地震lamb波具有良好的屏蔽效果。地震具有 HA等 ［51］ 利用生成式机器学习提出了一种快速逆向
随机性和复杂性，负刚度超材料在实际应用中可能 设计方法，可以模拟绝大部分基于应力-应变曲线
会面临极端温度、湿度变化，长期疲劳等多种不利条 的力学行为，缩短了超材料的设计制造周期。杨知
件，如何确保负刚度超材料与建筑结构的有效连接 虎等 ［52］ 基于深度学习设计了Fano共振超材料结构，
以及优化其布局和尺寸来最大化抗震减震效果尚有 并利用神经网络建立了结构参数与透射谱之间的关
待研究。 系，实现了负刚度超材料的逆向按需设计。人工智
2.6 微电子器件 能技术的应用缩短了负刚度超材料的设计周期，通
负刚度超材料在电子设备上的应用主要包括微 过生成对抗网络、强化学习等技术实现材料结构和
开关、微泵、微流控、微继电器等，可使电子设备变 特性的创新设计。
得更紧凑、灵活和轻量化。ZHU等 ［48］ 研发了具有均 增材制造技术在复杂结构、复合材料的制造方
匀场方向稳定性的负刚度超材料，可应用于磁场方 面具有独特优势，特别适用于超材料的制备。其中，
向检测装置和微继电器等。然而，电子设备对材料 4D打印技术使得结合力学超材料的设计思想形成的
的尺寸和形状以及精度的要求高，负刚度超材料的 智能柔性超材料 ［53］ 变得更为简便，这种超材料既具
应用需要解决精密定位、微纳制造技术、表面处理技 有负刚度和多稳态特性，又具有智能响应，是目前的
术和集成化技术等方面的问题。 研究热点。
2.7 工业机器人
在工业机器人设计领域，负刚度超材料的稳态 4 结束语
转换机制和“弹性突跳”现象可以提高结构形态变 负刚度超材料的研究表现出显著的多学科交
换效率。程基彬等 ［49］ 设计的柔性机械臂能够在复杂 叉特征。负刚度超材料具有独特的负刚度效应与
狭小的空间内工作，其变形胞元可采用负刚度超材 多稳态特性，其性能受单胞结构形式与几何参数、
料单胞设计。负刚度超材料可以提高机器人的适应 排列方式与数量、变形模式等因素影响，高性能基
性和能源效率，未来需实现与工业机器人的电机、传 材的应用和制备工艺的改进可以进一步提高其性
感器、控制系统等部件融合，还需进一步研究其与现 能。负刚度超材料有望应用于微机电开关、高性能
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