基于超材料的自適應變體結構技術研究進展

摘 要：可變體技術可以提高航空載運工具的氣動效率并擴展航程，是航空領域的顛覆性技術之一。以往機體的變形只能通過機構完成，增加了系統的復雜性和總體重量。自身具有可變形能力的超材料既能夠精準調控結構的可變形能力，又具有較高的輕量化水平和智能化潛力，有望推動可變體技術的運用。本文總結了幾種可變形超材料及其在自適應變體結構技術領域的應用探索，闡述了超材料由于其較強的可設計性而在變體結構/驅動/結構承載一體化設計中顯示出巨大的應用潛力，并對未來發展趨勢進行了展望。

關鍵詞：可變體飛行器； 超材料； 智能結構材料； 微結構設計； 可制造性

中圖分類號：V214.9 文獻標識碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2024.05.004

航空器的外形在極大程度上決定了其在飛行狀態下的氣動力，因此飛行器的自適應變體技術（根據飛行環境和飛行任務需求，在飛行過程中通過改變機翼幾何構型等方式，使飛行狀態始終保持最優的技術）一直是航空技術的重要探索方向[1-3]。當前的可變體技術主要基于機械機構，通過變展長[4]、變彎度[5-6]、變翼面外傾角[7]等變形形式實現，可靠性及穩定性強，但存在重量（質量）大、易磨損、較難實現復雜變形等缺點[8]。而可變形超材料的出現有望推動可變體技術的新一輪發展。

超材料/超結構一般具有周期性的微結構，因其極強的可設計性而具有超越傳統材料性能的優勢。通過超材料的微結構設計，減振降噪、沖擊防護等功能都可以實現。可變形超材料，是一類具備大變形能力的超材料，同時通過設計，這種材料還能夠兼顧承載能力、智能響應及驅動能力等多功能特性。借助可變形超材料，研究人員能夠設計出可控大變形、高承載、輕量化、智能化的可變體飛行器，具有可觀的應用潛力[8]。

可變形超材料種類繁多龐雜，其展現出的不同特性在可變體飛行器中具備多樣化的應用空間。且由于其復雜的微結構，可變形超材料的制造難度較大，目前相關研究通常只能借助3D打印來實現，并止步于實驗室的探索階段。

本文聚焦于可變體飛行器及其所需的自適應變體結構技術，總結了目前主要的幾種可變形超材料/超結構設計，并介紹了它們在相關領域的應用；接著總結了可變形超材料中的智能驅動技術；最后綜述了目前對可變形超材料在工程領域中的大規模、大尺寸可制造性所做的探索。

1 可變形的超材料/超結構設計

超材料的自適應變形能力與其微結構緊密關聯，甚至可以通過微結構設計來定制變形行為。下面介紹幾類可以實現大變形行為的超材料。

1.1 泊松比可調的超材料

某些泊松比可調制的特殊蜂窩結構，可通過累計單個蜂窩壁的彈性變形實現整體結構變形[9]。蜂窩結構本身具有重量輕、可設計、任意變形等特點，可應用在機翼結構中[10]。

自然界中許多植物可以進行自適應外形改變[11-15]。Pagitz等[16]以植物變形為啟發，介紹了一種新穎的變形結構。將具有定制五邊形或六邊形橫截面的棱柱形胞元連接起來，可以得到在一定的壓力下變形為指定外形的結構。可將其應用于變形機翼證實這種設計概念的潛力，如圖1所示。Tong Liyong等[17]提出了帶有空隙和壓力單元的蜂窩結構的最佳設計并進行了結構分析。Vos等[18]闡述了壓力自適應蜂窩的力學、分析模型和試驗測試數據，并在92cm弦長的NACA 2412翼段尾部35%的位置放置這種壓力自適應蜂窩。低速風洞試驗表明，壓力自適應蜂窩可成功用于改變翼段的氣動特性。

美國國防部預先研究計劃局（DAPPA）、美國空軍研究實驗室（AFRL）、美國國家航空航天局（NASA）聯合發起的DAPPA/AFRL/NASA智能機翼項目[19]，研制了一種變后緣機翼結構，機翼后緣采用蜂窩自適應支撐結構，如圖2所示。其具有較低面內剛度，同時還具有厚度方向的足夠剛度來承擔氣動載荷，與柔性蒙皮配合可以降低結構變形對驅動力的需求。

Bubert等[20]研制了一種可變展長的變形機翼結構，如圖3所示。其中包含零泊松比柔性表皮和零泊松比蜂窩支撐結構，翼展長變形量可達100%。零泊松比蒙皮和蜂窩支撐結構的配合，可解決由于兩者泊松比不同帶來的變形不協調問題。

賓西法尼亞大學Barbarino等[21]研制了可變弦長的直升機旋翼，如圖4所示，其弦長變形量高達30%。蒙皮為硅橡膠柔性蒙皮，采用蜂窩支撐結構可以提高面外剛度，滿足變形蒙皮變形與承載的要求。

Boston等[22]研發了一種由蜂窩超材料填充進NACA0012翼型的點陣機翼。這種結構具有多種穩定的形狀，它允許大的彈性變形同時保持其承載力，點陣機翼升力可提高21%。

1.2 雙穩態超材料

雙穩態超材料具有兩種穩定狀態，通過施加載荷，使其從一種穩定狀態變換至另一種穩定狀態。在其變形過程中可捕獲彈性變形能，且可通過外部輸入能量恢復至初始形狀，實現能量存儲與轉換。利用其變形形式及材料內部多個胞元的空間排布與組合，可實現多種特定的變形模式調控，有望用于飛行器變體技術研究中。

Shan Sicong等[23]揭示了可以捕獲外界能量的雙穩態結構變形機制，如圖5所示。圖5（a）為彈性梁在軸向受壓時發生屈曲，卸載后完全恢復到初始形狀。圖5（b）為受約束的傾斜彈性梁，當其一端垂直移動時，梁會在兩個穩定構型之間切換；在這種情況下，結構在卸載時保持其變形的形狀。在加載過程中施加給結構的大部分能量作為閾值能量被保存在系統中，而當外界向系統提供比閾值能量大的能量時，它們的初始構型可以恢復。

Haghpanah等[24]提出了一種從一維基元到三維的雙穩態材料構筑方法，可實現復雜的變形模式，其形狀變形如圖6所示。圖6（a）所示為一個從左到右的設計序列：一個雙穩定的三角形結構，具有不同角度運動范圍的有效多穩定鉸鏈機構，二維和三維多穩定線性延伸單元以及一個樣本的周期性形狀可重構結構。圖6（b）所示為一種拉伸比固定的可重構平面結構的不同變形構型，包括o形、v形、x形、全收縮、i形和全展開構型。圖6（c）所示為一種高度膨脹單元及其變形前后示意圖。圖6（d）為由相同基元組成的不同穩定形態的三維結構示意圖。

通過巧妙的結構設計可以定制不同維度變形構型，以滿足不同的變形需求。Meng Zhiqiang等[25]提出了一個可折疊單元胞的合理設計、制造和編程框架策略，使機械超材料能夠進行可逆、可展開和多步轉換。圖7（a）所示單元胞可以在沒有外部約束的情況下，通過拉伸與釋放獲得不同的穩定模態。由圖7（b）、圖7（c）可知，通過對單元胞在一維至三維空間的排列組合，可以獲得不同的變形形式，并且通過對單元胞變形模態與空間排布的綜合考慮，可以得到不同的轉換路徑的分叉，進而可以實現不同的加載路徑。

Zhang Hang等[26]利用折紙微觀結構的彈性拉伸、壓縮不對稱性設計了一類可伸縮的x形三穩態結構，如圖8（a）所示。圖8（b）、圖8（c）利用這些結構作為構件元素，設計和演示了具有一維圓柱幾何形狀、二維方形晶格和三維立方、八面體晶格分級機械超材料，它們具有扭轉多穩定性或獨立控制的多向多穩定性能力。力學超材料的穩態數隨胞數的增加呈指數級增長。

對于需要可調功能和適應不同環境的智能結構，具有大變形幅度的快速形狀重構能力至關重要。Pan Fei等[27]提出了一類具有大展開比和快速形狀重構響應的二維和三維手性超材料，如圖9所示。通過合理設計和制造基本單元，有效地利用了預應力殼體的雙穩態性和能量轉換能力，以兼容的方式實現了自發的形狀重構。在變形幅度與響應速度等方面具有明顯優勢。

大多數研究為平面雙穩態結構，Giri等[28]則研究了圓柱形雙穩態結構，如圖10所示。改變每層梁的厚度可控制雙穩態圓柱的能量吸收和變形順序。

雙穩態變形一般在壓縮載荷下實現，但Rafsanjani等[29]設計了兩個中間夾緊彎曲的平行梁，可以實現拉伸載荷作用下的雙穩態作用。如圖11所示，當沿著y方向拉伸，結構會從最初的波狀模式，經歷幾個亞穩態，直到完全延伸。

Shim等[30]提出了一種受玩具啟發得到的基于連續殼的雙穩態結構，其幾何結構包括一個帶有規則的圓形空隙陣列的球殼，可在壓力載荷作用下經歷屈曲而引起結構外形變化，如圖12所示。為了使屈曲引起模式轉變，這些空洞的數量和排列被限制在5種特定的構型中。在臨界壓力下，會產生穩態構型的轉變。

折剪紙是一種高效構建可變形機構的方法。Rafsanjani等[31]提出了一類具有可切換的可膨脹性的平面超材料，如圖13所示，通過改變基本切割剖面的幾何形狀，可以方便地控制超材料的可擴展性、剛度和雙穩定性，該策略可用于設計可展開結構、柔性設備及具有可調力學性能的可穿戴皮膚傳感器。

哈佛大學Melancon等[32]以折紙藝術為靈感，研制了具有多穩態的剛性壁可展開結構。將雙穩態折紙形狀庫中的單元進行組合，建造出米級的功能結構，如拱門和緊急避難所，為建造大型可展開系統提供有效途徑。蠼螋的翅膀有一個精致的自然折疊系，在飛行過程中通過雙穩態鎖定機制保持打開，并且在沒有肌肉驅動的情況下可快速自我折疊。這種機制依賴于蠼螋翅膀上富含蛋白的關節。Faber等[33]受生物翅膀啟發，建立了一個彈簧折紙模型，表現出不尋常的自鎖、快速變形和幾何容錯的性能。

此外，具有雙穩態特性的復合材料及結構，因其可變形性而可應用于航空航天領域。哈爾濱工業大學戴福洪等[34]提出了一種基于雙穩態復合管的輕質可重構天線，其所設計的天線結構可以在無外部支撐的情況下穩定在展開和裝載狀態；他們還提出了一種由一根預壓縮主梁和一對支撐梁組成的新型雙穩態結構，激光加熱殘余應力引起主梁與支撐梁之間的變形差，使主梁在兩根支撐梁的約束下發生屈曲，具有雙穩態特性[35]。除此之外，具有初始曲率的雙穩態復合材料殼體，在固化過程中產生的熱殘余應力可引起扭轉變形，戴福洪等[36]提出了一種通過引入可調節角度來控制扭轉變形的方法，為無扭轉雙穩態復合材料結構的設計提供了指導。

1.3 其他形式變體結構

變體結構的排布一般為均勻周期性排布，Coulais等[37]介紹了一種通過使用各向異性變形的體素進行組合的新策略用于設計非均勻超材料。圖14所示為1000個具有各向異性變形性質的體素單元，通過多種方式組合在一起，使其在單軸壓縮下，呈現出想要的變形。

合理利用缺陷可以實現目標變形行為。Jin Lishuai等[38]的研究表明，缺陷的存在可以重定向或引導變形。通過局部改變基本元素的形狀或剛度，并利用過渡鋒面與晶格缺陷的相互作用來精確控制過渡波的方向、形狀和速度，可實現可預測和可編程的強非線性超材料變形，如圖15所示。

由超材料組成的變體結構在外界刺激下表現出預期變形行為，然而大多數設計只能在機械載荷下很好地工作。韋凱等[39]結合拓撲優化實現了具有不同泊松比和熱膨脹系數的雙功能超材料，如圖16所示，可在力學載荷及環境載荷作用下有效地控制結構變形。

2 集成智能驅動的超材料/超結構設計

除了上述通過單一的微結構設計來實現自適應變體外，將智能材料/智能驅動器與超材料/超結構相結合也可以實現自適應變體技術，下面將展開介紹。

2.1 智能材料與超材料/超結構相結合

智能材料與超材料/結構相結合可以實現多物理場刺激下的多路徑、多特性、多功能的自適應構型轉變。引入溫感材料可以實現多路徑變形形式。清華大學Meng Zhiqiang等[25]在結構中引入溫度感應材料，可以在原來多路徑機械加載的基礎上，獲得更多加載路徑的結構轉換形式，并且得到的結構可以通過溫度進行驅動，除去了繁瑣的機械加載裝置，更有利于輕量化目標的實現。圖17（a）所示為加入溫度感應材料后單元胞的結構形式。圖17（b）為探索溫度感應材料的結構尺寸對驅動力的影響，可以得到具有不同驅動能力的單元胞。圖17（d）～圖17（g）為溫度感應材料導致的不同加載路徑。他們通過對多步變化超材料加設微控制器、驅動器等組件，制作了一種在感知到臨界速度時可以自主展開的機器人。Meng Zhiqiang等[40]開發了一種多穩定的超材料，可以根據不同的溫度進行自主恢復和可編程變形。

智能材料與超結構相結合也可實現自折疊變形。Manen等[41]研制了一種具有多功能性的自折疊技術，如圖18所示。打印樣品在高溫刺激下可以由最初的平面結構變形為預期的三維形狀，從而將表面相關功能與復雜的三維形狀相結合。Felton等[42]提出了一種能夠在毫米尺度變形的自折疊結構，其特征尺寸范圍為0.5～40mm。可以通過一個全局熱源來激活同時折疊。

智能材料與超結構的結合還可實現膨脹特性的多樣調控。多數天然材料受熱后向各個方向均勻膨脹，而超材料可通過微結構調控其熱膨脹特性。Ni Xiaoyue等[43]提出利用具有微米特征尺寸的雙材料蛇形晶格作為力學超材料系統的基元，該系統能夠支持正與負、各向同性與各向異性、均質與非均質熱膨脹特性，并具有不同尋常的剪切、彎曲和梯度熱膨脹模式的附加特性。圖19（a）所示為單胞結構示意圖。圖19（b）所示為實物拍攝圖。圖19（c）所示為其變形模式圖片。

引入形狀記憶聚合物還可實現泊松比和帶隙可調節的超結構。Yang Qingsheng等[44]以具有特殊熱力學性能的形狀記憶聚合物為基礎，利用基于彎曲梁的形狀記憶聚合物，設計了一種帶隙可調的手性超材料，如圖20所示。用理論和有限元方法研究了手性超材料的彈性模量、泊松比和晶格參數之間的關系。研究結果表明根據幾何參數與帶隙的關系，可以定制所需的超材料性能[45]。

受植物根據環境刺激自主改變形態和功能啟發，Jiang Yijie等[46]使用能對不同環境刺激做出反應的基于聚二甲基硅氧烷和水凝膠的材料，設計并用三維打印技術制造出了能夠進行簡單邏輯運算的自致動結構系統，并控制了對多種刺激做出反應的致動時間，如圖21所示。

引入磁場感應材料可以實現超結構的面積密度可調性。Sim等[47]研制了一種磁力雙層超材料，展示了面積密度可調性和面積保持能力。雙層超材料由兩個具有不同磁化分布的磁性軟材料陣列組成。在磁場作用下，每一層的表現各不相同，這使超材料可以將其形狀重新配置為多種模式，并在不改變其整體尺寸的情況下顯著調整其面積密度，可進一步用作主動聲波調節器，以調整帶隙和波的傳播。

2.2 機械驅動與超結構的結合

機械驅動與超結構的結合可實現快速可控的自適應構型轉變。Shaw等[48]介紹了一種利用主動控制通過柔性元件的變形來改變其形狀的結構，如圖22所示。該控制策略利用線性和封閉形式的分析工具快速計算所需的最佳內部驅動力以實現變形。適合高精度應用，利于通過少量可重復的單元快速可控改變形狀的材料。

傳統的機械超材料通過單元微結構拓撲優化實現目標泊松比形狀轉換等功能。以一種不可更改的方式被編程到超材料的布局中，不能根據實際需要實時寫入或讀取。Chen Tian等[49]設計了一個包括物理二進制元素數組的結構，如圖23所示。類似于數字位具有清晰的寫入和讀取階段，每個元素都可以通過磁驅動獨立且可逆地在結構兩個穩態間進行切換，并且可以在系統被重新編程之前進行可逆循環。

Ferrand等[50]制造了一種雙穩態器件，它們可以被動地過濾機械輸入，將其轉化為電信號，通過外部磁場復位到原始傳感狀態。試驗證明了此種元器件的濾波能力和快速被動響應。在機器學習算法的幫助下，這種智能結構可以在機器人、交通和醫學等領域被訓練成以自主方式感知、交流、計算和驅動，且能耗較低。

超材料的剛度特性還可通過自適應結構設計來實現。Hopkins等[51]研制了一種可調剛度特性的超材料，如圖24所示。通過將鎳鉻線穿過含鎵硅橡膠球的宏觀立方晶格，施加電流熔化鎵核，降低晶格剛度。模擬結果表明，隨著核尺寸的縮小，液化、固化速度加快，從而快速實現超材料剛度控制。通過液化晶格內指定鎵核，并重新固化，還可實現形狀重新配置。

3 考慮制造工藝的超材料/超結構設計

制造工藝對于自適應變體結構技術的落地應用具有至關重要的作用，而增材制造技術為結構的可設計性提供了保障。

NASA與麻省理工學院（MIT）的科研人員合作，設計實現了一種超輕可變形機翼，如圖25所示。將點陣材料用于飛翼布局無人機設計，成功地實現機翼可變形。通過電機施加外部載荷時產生相應的扭轉和彎曲變形，機翼能夠在不同的穩態間切換變形，并且每個穩定狀態都具有一定的承載能力，不需要持續的能量輸入。這是一種保證未來變體飛行器具有輕量化和低能耗特性的理想結構[52]。合理的結構設計，通過增材制造一體式打印或基元裝配式打印技術，得到基于超材料的可變體飛行器設計與制造方法。

賓夕法尼亞大學Lesieutre等[53]研制了一類以“肌腱”作為驅動方式的空間桁架結構，如圖26所示。為了降低各單元之間的彎矩傳遞，需要通過柔性鉸鏈連接桁架結構的節點，以便于實現結構變形。不同節點之間連接的繩索被稱為“肌腱”，可以通過調節繩索的張力、長度驅動變形。釋放不同位置繩索的張力可以改變這種自適應支撐結構的剛度，降低變形時的應變能，降低驅動力需求。

多材料3D打印為制造可展開結構創造了新的機會。Chen Tian等[54]設計了可逆的、可展開的平面結構，如圖27所示。選擇承載力、變形形態已知的穩態單胞作為基元，可組合形成展開后的三維多層級結構。其中執行器的激活力由接頭材料與長度來表示。

Ma Li等[55]提出了一種基于多材料嵌鎖裝配方法的雙穩態單元設計策略。實現了具有負剛度效應的完全對稱雙或多穩態特性，并且具有良好的可重構性、零泊松比及可恢復變形大等優勢。采用幾何梯度和材料梯度設計控制確定性變形序列，具有豐富的可編程性。可實現一維到三維多穩定超材料的正、零、負各向同性或各向異性可調變形，如圖28所示。

雖然以3D打印為代表的增材制造工藝實現了復雜變體結構的制造，但目前3D打印設備能夠一體打印的最大尺度一般在1m左右，無法勝任更大尺寸產品的生產，這在一定程度上限制了超材料結構的實際工程運用。為了解決這一問題，基元裝配式技術應運而生。批量生產超材料單元，并將成千上萬的超材料基元裝配在一起，便可以實現在較短的時間內制造出大尺寸的基于超材料的產品。

基于這一思想，Cheung等[56]提出了一種由平面單元組裝的點陣結構，如圖29所示。將相同形狀的碳纖維增強復材制造得到的平面單元，通過一定的排布方式可以組成八面體點陣結構，并能夠通過增加新平面單元不斷擴展三個維度的尺寸。

MIT的Jenett[57]提出了一種組裝點陣設計元素——“體素”。通過螺栓連接將不同幾何形狀的二維片材組裝成不同的“體素”，進而將“體素”組裝成完整的點陣結構，如圖30所示。通過設計不同幾何結構的二維片材，組裝得到的“體素”能夠實現負泊松比、壓扭等多種超常力學行為，具有高度的可設計性。

將點陣材料應用于實際目標外形，常常存在點陣與曲率外形不匹配等問題。Liu Yabo等[58]提出了一種考慮不同特征的零件輪廓的共形晶格結構映射設計方法。參照有限元法中的等參數單元，將幾何變換引入點陣設計，可以從規則點陣映射得到不規則點陣。圖31所示為其映射示意圖。

除點陣結構之外，其他類型的超材料結構也可以通過增材制造的思想制造。Xu Rui等[59]在3D針雕玩具的啟發下，利用卡扣結構設計了一種可在二維平面內擴展尺寸并可重復使用的能量吸收結構，如圖32所示。小球的沖擊試驗證明了此種結構對沖擊具有顯著的吸收和捕獲作用。

如圖33所示，拓撲互鎖結構可以在二維面內通過周期性重復實現擴展，并在組裝后實現三個正交方向的互鎖，從而形成大體積的整體結構。部分拓撲互鎖結構如骨形單元已在建筑領域中有所應用[60-61]。

與互鎖結構類似，Zhao Yang等[62]提取折紙中的設計元素設計了一種在x、z方向可自鎖的結構，如圖34所示。通過單元的堆疊，此種結構可在三個方向上擴展，從而組成任意尺寸的能量吸收結構。

4 發展趨勢分析

可變體是未來飛行器發展的重要方向之一。人工超材料的力學性能及功能特性可通過微結構設計得以調控，因此基于超材料/超結構的變體結構技術，可作為一種柔性結構技術以其更強的可設計性而展現出更多的潛力與優勢。本文總結了當前基于超材料的自適應變體結構技術，并對其發展趨勢進行了總結與展望：

（1）微結構設計理論欠缺。目前，大變形能力主要可依靠雙穩態變形來實現。兼具承載與變形功能的超材料，對微結構的變形機制特別是大變形能力具有較高要求，且需要在任意外載作用下能保持結構的機械完整性，因此如何設計微結構具有較大的挑戰。

（2）驅動方式有限。機械驅動是當前較為理想的可實現大變形的驅動方式，但是其占體積空間且重量較重的問題也不容忽視。如何開展其他驅動方式的探索以及驅動與結構材料一體化設計，具有重要的科學價值及工程應用價值。此外，飛行器空間較大，驅動器一般數量較多，且空間分布復雜。如何對驅動器精確控制，需要特定的算法研究，以最終實現精確的變體功能。

（3）考慮制造工藝的可行性。基于超材料的變體結構技術強調微結構的設計技術，但是如何能夠低成本制造，是最終能否實現應用的關鍵。因此，在設計及性能評估過程中，應該充分考慮結構的制造工藝，結合工藝可行性開展材料/結構設計，具有極其現實的意義。

超材料為飛行器的可變體技術帶來了更大的潛力及想象空間。對微結構設計理論、智能材料及驅動一體的結構設計方法進行深入探索，以及考慮制造工藝約束的關鍵技術突破，有望進一步提升未來飛行器的可變體技術水平。

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Advances on Metamaterial Based Adaptive Morphing Structural Technology

Wang Chengyu1， Wang Zhigang1，2， Wang Huitian1， Yang Yu2， Yin Sha1

1. Beihang University， Beijing 100191， China

2. Aircraft Strength Research Institute of China， Xi’an 710065， China

Abstract： Morphing technology， as one of disruptive technologies for aircraft， can improve aerodynamic efficiency and increase range. Generally， aircraft morphing is realized through mechanical mechanism， which limits the freedom of deformation and increases the weight of the system. Morphing metamaterials that can precisely regulate the deformability of structures， possessing a high level of lightweight and intelligent potential， are expected to promote the development of morphing technology. This paper reviews several types of deformable metamaterials and their corresponding application exploration for adaptive structures， explicating their significant potential in the integrated design for morphing/actuation/load-bearing structures. Furtherly， the authors give a prospective outlook on future development trends of morphing technology.

Key Words： morphing aircraft； metamaterials； smart structure materials； microstructure design； manufacturability