西交大“缓冲神器”多稳态-压扭超结构：压缩80%可复原，鸡蛋2米摔不碎！

机械超结构是一类可以通过几何尺寸设计实现反直觉力学性能的周期性结构。其中，具有多稳态机制的机械超结构能够通过可逆地重构形状，实现力学性能可调，并且可以通过稳定构型切换实现非损伤的能量锁定，为可重复的冲击防护提供新思路。然而，现有的多稳态超结构大多只能沿着压缩方向实现二维的稳定构型切换，并且需要严格控制变形量以避免局部大变形引起的结构破坏。如何实现大变形、多维度可编程、多功能一体化的协同，是一个悬而未决的问题。

针对这一难题，西安交通大学机械学院韩宾、张琦教授团队提出了一种多稳态扭转超结构，并且结合增材制造及嵌锁组装技术实现了低成本、快速制造。多稳态扭转超结构有效避免了局部过度变形，大幅提高允许压缩变形，允许压缩量可以达到结构高度的80%，并且实现了力学性能、变形模式、防护功能的多维度可编程。进一步的结构优化设计增强了能量耗散性能，在缓冲、减振等安全防护领域具有出色的应用潜力。

为了缓解局部过拉伸并为超结构提供“过载保护”功能，本研究创新性地提出了一种协同多稳态及压扭效应的设计策略（图1）：受Kresling折纸结构启发的倾斜杆件非对称连接于双稳态铰接梁一侧，通过巧妙的嵌锁接头设计，组装得到双稳态扭转胞元。铰接梁和倾斜杆件以近似串联的方式连接，由于受力平衡及局部-整体的变形协调，当切换至新的稳定构型后，一方面，显著释放倾斜杆件积累的扭转变形；另一方面，铰接梁的形状改变降低了倾斜杆件的倾角，在进一步压缩时受力表现出更缓慢的增长趋势，有效提升了允许压缩变形。

图1  多稳态扭转超结构设计原理图：（a）具有双稳态效应的铰接梁，稳定构型切换后进一步的加载导致局部过拉伸，力迅速增加；（b）受Kresling折纸启发的倾斜杆件，实现压缩-扭转耦合；（c）双稳态扭转胞元：多稳态扭转超结构的最小组成单元；（d）力-位移曲线及简化串联模型：实现大滞回能量耗散，提供过载保护。

通过阵列多个双稳态扭转胞元，可以构建多稳态扭转超结构，实现多个稳定构型的可逆切换。通过改变尺寸参数，设计不同胞元组合，可以对多稳态扭转超结构的力学性能定制化设计，从而编程其力学响应（包括单调递增、单稳态及多稳态模式），并实现对负刚度响应的精确调控（涵盖缓慢下降至瞬间下降等多种响应行为）。此外，通过改变胞元阵列模式，能够有效调控扭转变形的传递模式，实现变形行为的可编程设计。进一步的结构尺寸优化使多稳态扭转超结构兼具高允许变形能力和优异能量耗散性能，在保持较高耗能能力的同时，实现接近80%结构高度的超大变形（图2）。

图2 多维度可编程设计：通过改变胞元结构尺寸参数，实现（a）构型稳定性及（b）负刚度响应的可编程设计；（c）两个双稳态扭转胞元阵列的多稳态扭转超结构力学响应；（d）改变胞元阵列方向，实现变形模式的可编程设计；（e）通过结构优化设计实现高可压缩能力与高能量耗散性能的兼容。

多稳态扭转超结构在安全防护领域具有显著优势，能够实现减振与缓冲功能的一体化集成。通过多稳态切换过程中的能量锁定机制，结合大滞回特性带来的非损伤能量耗散能力，在受到冲击时可以有效地衰减加速度响应，可以保护生鸡蛋从2m高度坠落而不发生破裂（图3）。此外，间规立构阵列的多稳态扭转超结构具有自旋惯性放大效应，在70-1000Hz宽频范围内表现出良好的减振性能，并且可以通过调节多稳态构型实现对传递率曲线的定制设计（图4）。基于上述特性，针对飞行器精密传感器件的防护需求，提出了缓冲-减振多功能集成解决方案（图5）。在飞行器起飞阶段可以有效抑制冲击载荷，在巡航阶段能够显著衰减宽频振动，实现多工况下的多功能一体化防护。

图3 多稳态扭转超结构缓冲性能：（a）不同冲击下三种超结构的峰值加速度，在大冲击下多稳态扭转超结构衰减加速度最多；（b）相同冲击下冲击块的回弹高度对比，多稳态扭转超结构耗能最多，回弹最小；（c）生鸡蛋坠落试验，多稳态扭转超结构可以保护鸡蛋从2m高度坠落不破裂。

图4 多稳态扭转超结构减振性能：（a）得益于压扭耦合效应及间规立构阵列模式产生的自旋惯性放大，多稳态扭转超结构在70~1000Hz频率范围内具有良好减振效果；（b）通过改变稳定构型，实现对传递率曲线的定制化设计。

图5 多稳态扭转超结构应用前景：面向飞行器精密传感的减振-缓冲多功能一体化防护器件。在飞行器加速阶段，利用能量锁定及非线性能量耗散衰减冲击加速度；在巡航阶段，利用压缩-扭转耦合产生的自旋惯性放大效应实现减振。

综上所述，本研究提出的多稳态扭转超结构通过协同多稳态构型切换及压缩扭转耦合效应，有效缓解了局部过拉伸及扭转变形的积累，从而大幅提升允许压缩性能并实现“过载保护”；同时，多稳态扭转超结构实现了跨构型稳定性、负刚度响应、变形模式及缓冲-减振功能的多维度可编程设计。多稳态与压扭效应的协同策略为新一代多功能防护器件的开发提供了新的设计思路，在航空航天安全防护系统、多模式智能驱动器以及构型可编程的可展开结构等领域展现出广阔的应用前景。

相关研究成果以“Multistable twist metastructures with enhanced collapsibility and multidimensional programmability”发表于中科院一区Top期刊Additive Manufacturing上，博士研究生郑培远为论文第一作者，韩宾副教授为通讯作者。此外，团队还针对能量耗散性能进行了进一步的研究及优化设计，相关工作以“负刚度扭转超结构力学性能研究”发表于《应用数学和力学》期刊，并成功入选2025复合材料力学高影响论文，硕士研究生王钦泽为论文第一作者，韩宾副教授为通讯作者。两项研究成果合作者还包括西安交通大学张琦教授，以及硕士研究生刘志鹏和王泽雨。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104550

https://doi.org/10.21656/1000-0887.450082

作者简介：

韩宾，西安交通大学机械工程学院长聘副教授，博士生导师，Materials期刊编委、航天制造技术期刊青年编委。从事多功能轻质结构创新设计、先进增材制造技术、复合材料成形及焊接等领域的研究工作。主持承担国家自然科学基金、科技部重点研发计划课题、军工科研项目、省部级科研项目及校企合作项目等30余项。在Int Mater Rev, Compos Part B, Chem Eng J, Compos Sci Technol, Addit Manuf, Virtual Phys Prototy, Energy, Int J Plasticity, Int J Mech Sci, Eng Struct, Mater Design, Compos Struct等权威学术期刊发表论文100余篇（SCI 90余篇），被引3800余次，H因子32；获得授权发明专利40项、软件著作权5项；荣获陕西省科技发明一等奖、陕西省科技进步一等奖、陕西高校科学技术一等奖、陕西博士后创新创业大赛银奖、江苏省力学学会科学技术特等奖等省部级奖励5项。

个人主页：

https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/hanbinghost

https://scholar.google.com/citations?user=QsyReu0AAAAJ&hl=en&oi=ao

张琦，西安交通大学机械工程学院教授，博士生导师。陕西省三秦英才特殊支持计划科技创新领军人才，十四五“增材制造与激光制造”重点专项总体组专家，中国航发科技委专业委员会委员，大飞机增材制造协同创新联盟理事，陕西省机械工程学会理事，机械工程学会塑性工程分会理事。获国防科学技术进步二等奖、陕西省科技发明一等奖、陕西省科技进步一等奖，主持JKW基础加强项目，激光与增材制造重点研发计划，国家自然科学基金，04重大专项，陕西省重点研发计划。发表高水平学术论文120余篇，授权发明专利148项。

个人主页：

https://gr.xjtu.edu.cn/web/henryzhang