授權翻譯：力學超材料簡述

原作者： @QuYln

翻譯： @Lola Hu

原文章地址：Mechanical Metamaterials Introduction

參考文獻:

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

定義：

超材料並非通常意義上的材料。它們是在自然環境下無法形成的人工製品。力學超材料是一種人工結構體，它們擁有與常規力學性質相悖的屬性，這源於微結構單元的幾何結構而不是它們的各個組份。

示例：

我們有必要先闡明超材料和光子晶體的區別。

光子晶體中晶胞的周期和大小是由光波波長來進行比對的，然而超原子的大小遠小於光波波長測量範圍。

重中之重在於，光子晶體可以散射光，然而超材料由於自身產生電磁場使光路彎曲。因此超材料可以被認為是有效介質而光子晶體則不能。

所需彈性常數：

楊氏模量（E），剪切模量（G）,體積彈性模量（K）以及泊松比（υ）這四個彈性常數中，前三個量與材料的剛度以及壓縮性一一對應。

超材料分類：

輕質，高剛度，可控剛度，削弱剪切模量，負體積壓縮，負泊松比。

註解：

超材料非比尋常的屬性來源於它們的構造幾何學特質而不是它們的材料成分。這也是形成力學超材料或結構超材料的必要性質。

發展前景：

合理設計的三維超材料的生產和測試只是剛剛興起。

超流體：

用以表現出無剪切力的聲構超材料可以大體上被歸類於一類獨立存在的超流體力學超材料。

隱身斗篷也可以被視為超流體，即五模式超材料。

超材料的歷史展望：

研究歷史展望的目標在於探索理論背後的客觀原理，總結出發展趨勢，面向於在多樣的超材料中，力學超材料所扮演的角色，並最終發掘出該領域的有待研究之處。

下面我們來介紹這種智能超材料在五大基礎研究領域內的應用：

（i）針對多場耦合機制的研究：對於光學超材料的傳統研究方向而言，它可以聯同其他的物理場（如電場、力場）作用，從而製造一種與聲學、力學、熱力學耦合相應的智能超材料。

（ii）原子或分子水平的微結構單元的設計：當製造一種微米或納米水平的新型超材料時，這些超材料的晶粒尺寸效應將無法忽略不計。此外，微結構單元水平材料的失效模式在不同的超材料的結構設計中也添上了濃墨重彩的一筆。

（iii）與天然材料的結合：近十年後，超材料的拓撲結構設計將重新回到通過自然材料激發出最優化結構的靈感中去。但這並非是傳統意義上的仿生學方法，我們試圖去創造如壓電靈敏度可調性等天然材料所不具有的性質。 因此，我們面臨的主要挑戰在於超材料與天然材料結合以求得到我們所需要的力學性質。

（iv）超材料的工業用途：這個研究方向適用於已經研發出來的智能超材料，並使它們成為基礎研究和工業應用的紐帶。

（v）通過超材料的感測功能研發新的產品：這個研究方向的目標在於通過即有的光學及聲學超材料來開發應用於工業的新產品。工業應用的發展重點在於現代產品技術上的生產與控制。通過利用基因工程及其相關的製造技術，我們可以模擬或數值模擬10種智能超材料中的兩項技術。