超材料宏-细-微观耦合失稳、结构相变与形貌演化

Metamaterials can achieve exotic characteristics that would be promising for practical applications through the design of structures and topographies. Nevertheless, the structure and morphology of metamaterials may undergo complex evolution due to large deformation and instability under external mechanical loading, which directly and largely affects their overall mechanical and physical properties. The instability of metamaterials is an important but complicated process, which involves high nonlinearity such as geometric topology, structural phase transitions, macro-meso-microscopic couplings, multiple bifurcations and symmetric breakings. It therefore lacks of effective methods for theoretical prediction and structure design. This project explores the mechanical instability of metamaterials based on advanced theoretical and numerical methods (such as slow variable Fourier coefficients and asymptotic numerical method) as well as experimental verifications, using the model structure of a novel shellular-type metamaterial constructed by triply periodic minimal surfaces. The objective is to quantitatively explore the multi-scale coupling of microscopic (surface wrinkling)-mesoscopic (cell buckling)-macroscopic (structural phase transition) instability under various mechanical loads and boundary conditions, predict instability pattern evolutions (including the entire post-buckling path, mode transition and multi-stable equilibrium), and explore the effects of instability on the properties and functions of metamaterials. The results are expected to help guide the manipulation and design of properties and functions that are related to the structure/morphology of metamaterials.

超材料可通过对结构和形貌的设计实现超常的功能性质，但其结构和形貌在力学载荷下会因大变形失稳而发生复杂演变，直接影响其宏观力学和物理性能。超材料结构的稳定性是一个重要而复杂的课题，涉及几何拓扑结构相变、宏细微观尺度耦合、多重分岔和对称性破缺等强非线性问题，因而对其失稳力学行为的研究极具挑战，仍缺少有效的理论预测和设计方法。本项目以三周期面积最小化曲面所构建的新型壳胞超材料结构为主要研究对象，发展先进的理论与数值计算方法（慢变傅里叶系数法和数值渐近法等），结合实验验证，研究在不同力学载荷及边界条件下超材料微观（壳胞表面薄膜起皱）-细观（壳胞屈曲）-宏观（结构相变）耦合的多尺度失稳问题，预测失稳所产生的结构形貌演化（包括整个后屈曲路径、模态转变和多稳态平衡全景），并探索失稳对超结构整体性能与功能的影响机理。研究结果可指导调控与结构/形貌相关的超材料性质，促进新型功能性力学超材料的结构设计及优化。

本项目研究材料微观-细观-宏观耦合的多尺度失稳问题，预测失稳所产生的结构形貌演化，探索失稳对超结构整体性能与功能的影响机理，以指导调控与结构/形貌相关的超材料性质，促进新型功能性力学超材料的结构设计及优化。项目资助下取得的重要成果包括：(1)发现收缩核壳结构中的一种新颖而有趣的手性褶皱拓扑形貌，揭示了手性形貌的局部扰动自适应性可以有效且稳定地抓取各种形状、材料和软硬的物体，创制了一种基于手性形貌的自适应智能软抓手；(2)发现水基底影响软物质生长形貌，建立了各向异性生长的冯卡门板模型，能准确预测各种植物生长形貌演化，提出了通过基底或边缘驱动表面失稳来实现仿生可展柔性结构形貌控制的新思路；(3)揭示了曲率影响下薄膜结构失稳中的新型分岔行为，发现曲率调控/抑制褶皱机制，为薄膜结构平整化（去褶皱）提供了新思路；(4)揭示了填充碳纳米管表面失稳形貌演化规律，发现“纳米袖子”现象，为利用应变工程调控和设计低维材料理化性质提供了新思路；(5)“发展了一种新型有限应变壳模型，可以考虑大变形和复杂几何，即可变曲率，为实现褶皱斑图及其演化的理性设计迈出了重要的一步(an important step)”；(6)基于力学设计的柔性电子多级碳纳米管结构（仿生肌肉）纤维传感器，实现了可植入柔性电子传感器与生物组织长期变形协调相容，用于生物医学工程中多种疾病的长期实时在体监测。在国内外一流学术期刊上发表标注受项目资助的SCI论文35篇，其中第一/通讯作者SCI论文30篇，包括PRL (2篇，其中封面1篇，Editors’ Suggestion)、Nature Comput. Sci. (封面文章)、Nature Biomed. Eng.、JMPS (4篇)、Angew. Chem. (hot paper)、AFM、IJES (4篇)、CMAME、IJSS (3篇)、PRSA (封面文章)、SCPMA、EML (4篇)等，成果被《自然》、《自然-计算科学》、《自然-生物医学工程》、美国物理学会Physics Magazine等专题评论报道。ESI高被引论文2篇，授权国家发明专利3项，实用新型专利8项。培养博士2名，硕士3名，在读博士研究生3名，硕士研究生3名。入选上海市“曙光计划”、上海市基础研究特区计划、上海市青年科技启明星、“中国十大新锐科技人物”、上海市力学学会优秀青年学者等。