近日，我们师生提出一种新型杂化晶格超材料设计，成功突破了传统超材料结构刚度-可调性之间的权衡难题。该研究构建出具备优异刚度可调性和各向同性响应特征的新型结构体系，为土木工程及智能基础设施的可编程、高性能设计开辟了新路径。研究成果以“Breaking Stiffness-Tunability Trade-offs in Metamaterials: A Minimal Surface Guided Hybrid Lattice Strategy”为题发表在国际知名学术期刊《先进科学》（Advanced Science，IF=14.3）上。
针对超材料在刚度与可调性之间难以兼顾的固有矛盾，以及制造过程中易出现缺陷等制约其工程应用的瓶颈问题，研究团队立足土木工程前沿交叉领域，创新性地提出了一种通用的空间补偿-布尔融合设计框架。通过将三周期极小曲面（TPMS）与简单立方（SC）板晶格一体化集成，成功研制出具备高度可调性的高性能杂化晶格超材料。采用PolyJet打印技术实现了样品的高几何保真度制造，并通过均质化方法、准静态压缩测试和有限元模拟进行了系统评估。相较于传统超刚强晶格，该新型超材料有效弹性模量可调范围大幅提升213.98%，杨氏模量最高突破Hashin-Shtrikman理论上限的137.34%，能量吸收能力较单一组分总和提升30.16%，充分验证了其优异的塑性变形能力和能量吸收效率，应用于需应对抗冲击与振动控制等严峻挑战的极端环境重大工程。
该策略具有良好的拓展性，可适用于多种异构拓扑组合设计，在土木工程与结构工程多个重要领域提供了高度定制化、高性能与功能一体化的超材料解决方案，具体包括智能传感基础设施、抗冲击结构、缓冲防护装置及无人机软着陆系统等，未来在土木工程、机械工程、航空航天、生物医学等多学科交叉领域应用前景广阔。
博士生张旻为论文第一作者，高康教授为论文唯一通讯作者。必威·BETWAY、混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室为第一单位。合作者包括皇家墨尔本理工大学Jie Yang教授、Ma Qian教授、新加坡国立大学Wei Zhai教授以及英国卡迪夫大学Zhangming Wu教授。该研究得到了国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金、英国国家科研与创新署-工程与自然科学研究理事会、欧盟玛丽居里项目的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202510586
