金属晶格材料因其轻量化潜力、结构可设计性及多功能集成能力，近年来受到广泛关注，并不断拓展新的工程应用。其中，中空杆晶格材料（hollow-strut lattice materials, HSL）通过将传统实心杆件转变为中空结构（中空内径可小至0.7毫米，壁厚可降到0.2毫米），不仅进一步减轻了重量，也为引入新的内部结构和功能创造了独特空间。澳大利亚皇家墨尔本理工大学（RMIT）杰出教授马前团队近年来持续探索这一“中空”特征，致力于发展兼具高承载能力与多功能性的金属晶格材料。
2024年，该团队在《Advanced Materials》发表了钛合金多拓扑晶格研究。传统中空杆晶格虽具有较高的结构效率，但复杂的中空节点容易产生应力集中，导致局部变形、开裂和过早失效。针对这一问题，研究团队利用其内部空间，将薄板晶格（thin-plate lattice, TPL）嵌入Ti-6Al-4V中空杆晶格，形成薄板–中空杆复合晶格（TP-HSL）（见图1左）。这一设计改善了中空节点的应力分布，同时保留了晶格的开孔特征和多功能潜力。实验制备的Ti-6Al-4V TP-HSL密度仅为1.0–1.8 g cm⁻³，但屈服强度达到133–263 MPa，其相对屈服强度超过了论文所采用的金属晶格材料经验上限，展现出优异的结构效率。
该团队最新发表于《Advanced Materials》的研究进一步表明，中空空间不仅可用于强化结构，还可用于赋予金属晶格新的功能。研究人员将可膨胀聚氨酯（PU）引入Ti-6Al-4V中空杆件的内部通道，使聚合物主要分布于金属骨架内部，同时保留外部开孔结构。通过这种金属–聚合物混合设计，晶格骨架的平均密度可降至水的密度以下，使原本因开放孔隙进水而难以漂浮的金属晶格获得稳定浮力（见图1右）。团队还在天然海水中进行了实际浮标演示，并验证了结构在受到严重损伤后仍能保持漂浮的能力。这一设计思想并不局限于钛合金，原则上可拓展至其他能够制备中空晶格的金属及合金体系。
未来增材制造技术的进步还将为中空金属晶格的设计提供更大的发展空间。随着激光光斑尺寸、粉末粒度和成形精度等技术的进一步优化，更小的中空通道和更薄的金属壁厚有望实现，从而进一步扩大中空晶格骨架密度的可设计范围，并为金属–聚合物混合晶格的密度与浮力调控提供更大的设计自由度。从“中空空间用于结构强化”到“中空空间用于功能赋予”，中空不再只是减轻重量的几何手段，而成为可以进一步设计和利用的内部空间。通过对这一空间进行“再设计”，金属晶格材料有望从轻质高强进一步走向结构与功能一体化。
图1中空晶格的两种“再设计”：从高强金属晶格到漂浮结构。左：将薄板晶格引入Ti-6Al-4V中空杆晶格内部，形成薄板–中空杆复合晶格，通过改善应力分布提升结构效率与承载能力。右：利用中空杆件内部的连通空间引入低密度聚氨酯（PU），形成Ti-6Al-4V–PU混合晶格，在保持外部开孔结构的同时获得稳定浮力。两项工作分别展示了中空空间用于结构强化与中空空间用于功能赋予的设计思路。
文章链接：
2026年《Advanced Materials》论文：Breaking the Surface
2024年《Advanced Materials》论文：Titanium Multi-Topology Metamaterials with Exceptional Strength
