方鑫介绍相关研究工作。王昊昊/摄

■本报记者 王昊昊 通讯员 杨煜昕

“最烧脑时根本睡不着，要吃褪黑素助眠，做梦都在推导公式。”“90后”国防科技大学研究员方鑫，最近终于不用靠褪黑素入睡了。他用6年时间破解了一个世界难题。

现有的工程材料无法兼顾高强度和高韧性。要么韧性低，硬而易断，比如陶瓷、金属等；要么强度低，软而易弯，比如橡胶。这是一个百年未解的世界性难题。

相同量的棉麻材料，为何捻成绳子后更结实？绳子打结后，为什么更紧、更牢固？方鑫从拧麻绳的手艺中找到了解决上述问题的灵感。

用扭曲变形替代弯曲变形，方鑫和合作者设计出新的手性超结构，突破了材料与结构的力学性能禁区，并尝试近30种建模解析思路，建立了“手性扭曲理论”。近期，这一成果发表于《自然》。

盘碗拧绳得灵感

几乎所有工程结构和装备都需要轻质、高刚度、高强度、高韧性的材料，兼顾这些属性意味着结构具备高弹性能（机械能）储能密度、高承载能力、优异的抗冲击能力以及轻量化、小型化、运动灵敏度。

此前，方鑫曾提出一种智能超材料设计方法，实现了金属基材料刚度和形状的大范围、连续、快速调节。2023年，相关成果在《自然-材料》以封面文章发表后，被《自然》评为当年6月的全球重要科技进展。

这项科研成果的一个重要灵感，正是源于上述研究。

2019年，方鑫正在做抗冲击相关研究。他想搞清楚柔性材料在受挤压后如何变形，便通过3D打印制作了一个带编织结构的柔性碗。

“原本设想的是，挤压会让这个柔性碗瘪下去，但事实上并没有。”方鑫发现，编织的碗在挤压后会呈现扭曲状，类似打结的绳子。

这个意外收获让方鑫产生了兴趣。“我觉得很神奇。”他脑子里充满疑问，为什么碗转起来呈现扭曲状？他随即联想到绳子，碗的扭曲和绳子打结极为相似，软绳拧一下，会变得又紧又坚固。绳子在扭转过程中发生了什么变化？为什么简单的扭曲变形会刚度大增？

带着这些疑问，方鑫进行了深入研究。他发现，这是近现代力学领域一个一直未得到解决的问题，即结构扭曲。

最烧脑时靠褪黑素入眠

紧接着，方鑫发现，不只是材料难以实现强度与韧性兼得，结构也是一样。

“现在的工程材料和结构有成千上万种构型。我查阅了大量文献后发现，这些构型全部基于弯曲和屈曲，材料的抗压能力都基于这些理论。”方鑫表示。

能否通过控制变形模式，解决材料和结构无法兼顾高强度和高韧性的问题？这让方鑫想起他在碗和绳子中获得的灵感：“如果把绳子打结的过程引入材料和结构变形的过程，能否改变材料和结构的强度与韧性？”

然而，让钢筋“打结”进而增加强度，不依靠工具无法轻易完成。为此，方鑫设想加装一个结构让打结的过程自动完成。

基于这些设想，研究人员提出一个新原理，即用压缩扭转屈曲替代压缩弯曲屈曲结构作为桁架结构的基元，构造可自由扭转的手性胞元诱发所需的扭曲模式，据此创造出新的手性超结构，突破基材本身强度与韧性的制约，用扭曲变形替代弯曲变形设计新结构。

大量理论分析与实验测试表明，相比现有非手性轻质结构，这种手性结构在未优化情况下也能实现高刚度，承受大变形，使承载屈曲强度提升5至20倍，将弹性应变能密度提升5至160倍，突破了材料与结构的力学性能禁区。

虽然性能卓越的手性超结构已构建出来，但这种结构显著提升材料和结构性能的科学原理，没有人知道。

方鑫带着这个问题与中国科学院外籍院士高华健开展了深入研讨。高华健说：“扭转屈曲是结构力学中极具挑战性的经典难题。长期以来，研究者一直试图寻找大变形条件下扭转屈曲的解析解，但始终未能成功，导致这一研究方向逐渐被冷落。另有学者尝试通过数值模拟研究这一变形过程，却无法揭示完整的力学演化机制。”

听了高华健的解释，方鑫下决心用数学方程把它表示出来。

但这并不容易。“我尝试了很多种建模方法，依然无法准确解析扭曲的科学原理。”方鑫说，“那段时间我很沮丧，不知道问题出在哪里，最烧脑时晚上根本睡不着觉，要吃褪黑素才能入睡。”

直到尝试了近30种建模方法，方鑫才找到了手性扭曲问题的解析答案。

4个“工人”协同“作战”

方鑫发现，扭曲的过程由4类变形组合而成。如果将这4类变形比喻成“工人”，那扭曲的过程就是4个“工人”协同“作战”。

这4个“工人”都负责哪些工作？方鑫介绍，它们各司其职、同时工作。弯曲发生过程有两个“工人”，一个负责接受压力，一个负责让材料变弯。扭曲过程中则多了两个“工人”，它们带来了材料性能的极大增量。除了弯曲过程中的两个“工人”，还有一个负责扭转，一个负责产生交叉方向的弯曲从而扩大变形空间。四者同步协作，使材料在强度和弹性（极限变形能力）上实现飞跃。

基于此，研究团队最终找到了手性扭曲问题的解析最优解，建立了“手性扭曲理论”，将这类问题的研究向前推进了一大步。

该团队建立的手性解析模型能在20%变形范围内准确计算结构变形。研究发现，压缩扭曲包含多种变形模式，可以在几乎不增加基杆应力的前提下，通过扭转和面外变形额外存储1倍以上的能量，从而在相同材料强度约束下大幅提升整体超结构力学性能。

高华健认为，手性扭曲理论揭示了材料和结构高强高能特性的产生机理，将为航空、航天、船舶、高铁、汽车等工业系统提供重要解决方案。

审稿时“自找苦吃”

从投出到正式发表，论文共经历了3次修改。而让方鑫印象最深刻的是一审。

其实，一审的审稿人仅提出完善一些细节的意见，这对很多投稿者来说是好消息，意味着成果能尽快发表。但方鑫在一审后却提出再加一部分审稿人未提及的内容。

“手性扭曲理论已经很准确了，但描述过程对一些数学问题的阐述还不够严谨。审稿人可能没有关注这些问题，即使不修改论文也能够发表。”

但方鑫始终觉得理论的数学方程还不够完美。“不甘心如此。如果我搞不好这个研究，以后很多年里可能都不会有人关注和解决这个问题，别人在应用这个理论时，可能会有这样那样的疑问。而且手性扭曲理论是推进力学研究的根本问题，更要打好基础。”

没想到，“自找苦吃”的做法，让方鑫经历了他研究生涯中最煎熬的一个月。

那段时间，方鑫推掉了很多重要会议，基本都“泡”在实验室里，甚至连晚上做梦都在推导数学公式。有时候白天想问题入迷，同事跟他打招呼，他都没注意到。

直到收到一审修改意见20多天后，方鑫才找到最优解。“虽然耽搁了一些时日，用了3个多月完成修改，但最终熬出了好结果，没有缺陷、没留遗憾。”他说。

审稿人评价，该研究“为非线性材料力学和具有不同应用的高焓材料提供了新见解”。

方鑫表示，下一步，研究团队将围绕构建的手性超结构和手性扭曲理论在相关领域开展应用研究。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-025-08658-z