航院陈常青课题组实现静态应力波导

发布时间: 2024-08-21 09:40:59 浏览次数 : 273 来源:清华大学

清华新闻网8月20日电电磁波、声波和弹性波等波导可实现信号的高效定向传输，在通信、成像和信号隔离等方面得到了广泛应用。材料的静态变形不同于波的传播，由于缺少动态效应，难以实现对夹杂和对称性破缺等缺陷的免疫，通常是缺陷敏感的。这也意味着变形容易在缺陷、无序及尖端等力学奇点处聚集。若能类似动态波导，实现静载作用下聚集化变形的定制(我们称之为静态应力波导，stress guide)，无疑将在应力屏蔽、能量收集、机械计算及信息存储等诸多方面存在广阔的应用前景。

近期，清华大学航天航空学院陈常青教授课题组基于静态变形场的空间分布与波的时域演化之间的内在关联，提出了静态应力波导的概念，建立了力学超材料的聚集化静态变形表征理论，实现了应力沿指定路径的聚集和静态变形信号的定向传输。

针对二维/三维周期性力学超材料，课题组揭示了低维动态系统中的时间轴与高维静态系统中某一空间轴的对偶关系，从而可将变形场在空间内的定向分布映射为波包在介质中的非互易传输。利用时空对偶关系，可在静态力学超材料中定义“波包”“群速度”等一系列动力学参量。若一个静态波包的群速度非零，就会类似于波动力学中的波导和非互易系统中定向传输的波，应力将沿着空间内的某一路径单向聚集，从而实现应力的导向，即静态应力波导(图1所示即为X型力学超材料中沿着不同指定路径的静态应力波导)。

图1.X型力学超材料中的静态应力波导及其定制

课题组还揭示了静态系统中点群对称性(如镜面对称)与动态系统中某些内部对称性(如时间反演对称)之间的内禀关联。由此可通过改变对称性来定制材料的有序变形图案。在此基础上，课题组利用拓扑能带理论，在静力学系统中构造出了非对称的变形阻塞模式，将偏心载荷完全局域在边界处，实现材料内部的静力学屏蔽(图2)。

图2.基于非对称变形阻塞模式实现的X型力学超材料偏心载荷的静力学屏蔽

近日，相关研究成果以“力学超材料中的静态应力波导”(Stress guides in generic static mechanical metamaterials)为题，发表于《国家科学评论》(National Science Review)。研究展示出周期性胞原材料及连续介质中静态应力波导的可定制性及广泛存在性，也为研究非保守动态系统中波的非互易传输提供了全新平台。

清华大学航天航空学院教授陈常青为论文通讯作者，2021级博士生王澳西为论文第一作者。研究得到国家自然科学基金委重点项目和创新群体项目的支持。

近年来，陈常青课题组在力学超材料领域取得了一系列成果，包括静态孤子、静态拓扑力学、多路径变形力学超材料以及可重编程机械逻辑超材料、类脑机械计算和具有信息编码和存储等能力的智慧型/自认知力学超材料。

论文连接：

https://doi.org/10.1093/nsr/nwae110