超材料结构是由人工设计单元组成的结构阵列，具有经典材料难以实现的超常力学性能，如轻质高承载、负泊松比、动/静力学隐身等，在服役于航空、航天、航海等极端环境的复杂装备中具有极高应用潜力。超材料结构设计赋予常规材料新生机。

国防科技大学研究员方鑫、副教授张晋豪等人提出一种切缝赋能的多模式-可编程静态非互易机械超结构设计，使同一微结构可呈现正交、单轴及剪切载荷下的多模态非互易响应，在机器人外骨骼、能量采集器等领域有广阔应用前景。相关成果近日发表于Advanced Science。

互易性原理在线性物理系统中普遍存在。通过结构合理设计，超结构能在交换输入输出位置时产生截然不同的力学响应，实现打破静力学互易性的“二极管”效应，在机械逻辑元件或软体机器人方面有重要价值。虽现有机械超结构能呈现特定静力学非互易性，但通过单一微结构拓扑实现多模式、可编程响应仍具挑战。

该研究通过规则、周期性的切缝设计，使结构在不同载荷下激发不同自接触变形，实现了正交、单向、剪切三种静态非互易模式，并提出了接触分布可控的拓扑重构方法，实现了静力学非互易性的可编程调节。同时，该研究建立了描述不同非互易行为的本构张量理论框架，为非互易性的定制化设计提供理论依据。

据介绍，切缝设计使超材料结构的拉压刚度呈现10倍差异，有潜力作为软体机器人外骨骼，使其同时具备高承载性和伸展-弯曲柔性。另外，由超材料结构映射而成的圆柱筒在顺时针、逆时针扭转下均能产生轴向膨胀，对末端压电材料产生压力，该设计有望在近海岸波浪的驱动下，实现波动-压电能量的高效转化。

相关论文信息：https://doi.org/10.1002/advs.202503455