斷裂可編程超結(jié)構(gòu)有望推動(dòng)無(wú)人飛行器、航空航天等先進(jìn)裝備領(lǐng)域的發(fā)展。材料設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)方面，機(jī)器學(xué)習(xí)可以幫助研究人員更快速、更準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)出能夠高效控制裂紋的超結(jié)構(gòu)元胞，從而提高材料的斷裂韌性和可靠性。使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法（如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、決策樹(shù)、支持向量機(jī)等）來(lái)訓(xùn)練模型，以識(shí)別元胞設(shè)計(jì)特征與裂紋控制效果之間的關(guān)系。訓(xùn)練過(guò)程中，模型會(huì)學(xué)習(xí)如何從輸入的特征預(yù)測(cè)裂紋的擴(kuò)展行為和材料的斷裂性能。

“ 3D Science Valley 白皮書(shū) 圖文解析”

     近日，上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院王浩偉教授團(tuán)隊(duì)在增材制造結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方向取得重要突破，相關(guān)成果在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊Nature Communications發(fā)表題為“Damage-programmable design of metamaterials achieving crack-resisting mechanisms seen in nature”的論文（doi.org/10.1038/s41467-024-51757-0），該工作與英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院Minh-Son Pham教授團(tuán)隊(duì)以及香港大學(xué)陸洋教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合完成。這項(xiàng)研究通過(guò)設(shè)計(jì)和制造具有特定微觀結(jié)構(gòu)的超結(jié)構(gòu)元胞，實(shí)現(xiàn)了對(duì)裂紋擴(kuò)展路徑的精確控制，這不僅提高了材料的斷裂韌性，也為材料斷裂行為的預(yù)測(cè)和防護(hù)提供了新的方法。

本期3D科學(xué)谷的谷專(zhuān)欄將針對(duì)這一研究進(jìn)展做特別分享。3D Science Valley Discovery“超結(jié)構(gòu)元胞”和“裂紋編程”：

在這項(xiàng)研究中，“超結(jié)構(gòu)元胞”和“裂紋編程”是兩個(gè)關(guān)鍵概念，它們是實(shí)現(xiàn)材料斷裂行為控制和優(yōu)化的基礎(chǔ)。

1. 超結(jié)構(gòu)元胞：

a. 超結(jié)構(gòu)：在材料科學(xué)中，超結(jié)構(gòu)通常指的是具有重復(fù)單元結(jié)構(gòu)的材料，這些單元結(jié)構(gòu)的尺寸、形狀和排列方式?jīng)Q定了材料的宏觀性能。超結(jié)構(gòu)可以是二維或三維的，它們通過(guò)精確的設(shè)計(jì)和制造，可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)材料無(wú)法達(dá)到的特殊性能。

b. 元胞：在超結(jié)構(gòu)中，元胞是指構(gòu)成超結(jié)構(gòu)的基本重復(fù)單元。每個(gè)元胞可以包含不同的幾何特征和材料屬性，這些特征和屬性共同決定了超結(jié)構(gòu)的性能。

c. 超結(jié)構(gòu)元胞是指那些經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)，能夠通過(guò)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)引導(dǎo)和控制裂紋擴(kuò)展路徑的單元。這些元胞可以是3D打印出來(lái)的，具有精確控制的微觀結(jié)構(gòu)，能夠模擬自然界中材料的裂紋阻抗機(jī)制。

2. 裂紋編程：

a. 裂紋：在材料中，裂紋是指材料內(nèi)部的缺陷，它們可以由于外部力的作用而擴(kuò)展，導(dǎo)致材料的斷裂。裂紋的擴(kuò)展路徑和速率對(duì)材料的斷裂行為有重要影響。

b. 編程：在這里，編程指的是通過(guò)設(shè)計(jì)和制造過(guò)程，預(yù)先設(shè)定裂紋在材料中的擴(kuò)展路徑和行為。這通常涉及到對(duì)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的精確控制，以引導(dǎo)裂紋按照預(yù)期的方式擴(kuò)展。

裂紋編程是通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)分析和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的，研究人員通過(guò)分析不同元胞構(gòu)型的斷裂特性，建立了一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，并開(kāi)發(fā)了一個(gè)設(shè)計(jì)平臺(tái)，使得可以在超結(jié)構(gòu)中預(yù)先編程裂紋的擴(kuò)展路徑。這樣，就可以在材料中實(shí)現(xiàn)裂紋的三維控制，模仿自然界中材料的裂紋阻抗機(jī)制，如裂尖鈍化、裂紋捕捉和釘扎等。

Insights that make better life

 基于超結(jié)構(gòu)斷裂編程

研究團(tuán)隊(duì)基于機(jī)器學(xué)習(xí)發(fā)明了一種具有裂紋編程能力的新型超結(jié)構(gòu)元胞，不僅實(shí)現(xiàn)了奇異的三維裂紋可編程控制，還首次將自然材料的多種阻裂機(jī)制引入到3D打印超結(jié)構(gòu)當(dāng)中，其高度可編程的裂紋設(shè)計(jì)與多重阻裂機(jī)制不僅顯著增強(qiáng)了對(duì)工程材料斷裂的預(yù)測(cè)與防護(hù)能力，還為復(fù)雜材料與結(jié)構(gòu)斷裂力學(xué)領(lǐng)域的研究提供了基于超結(jié)構(gòu)斷裂編程的新路徑。

該研究論文以上海交通大學(xué)為第一完成單位，上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士生高振洋為第一作者，上海交通大學(xué)王洪澤副教授與吳一副教授為共同通訊作者，共同作者還包括上海交通大學(xué)博士生張曉林、英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院Minh-Son Pham教授、香港大學(xué)陸洋教授、上海交通大學(xué)夏存娟副教授、王浩偉講席教授。

材料斷裂的高度隨機(jī)性和突發(fā)性，以及裂紋的不可控快速擴(kuò)展，是長(zhǎng)期困擾機(jī)械、材料科學(xué)與力學(xué)等諸多領(lǐng)域的重大難題。對(duì)工程材料的復(fù)雜斷裂行為進(jìn)行有效的預(yù)測(cè)、控制和防護(hù)，對(duì)裝備的長(zhǎng)期可靠服役與安全性至關(guān)重要。在自然界中，諸多自然材料，如生物骨骼、陶瓷等，通過(guò)其復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)來(lái)引導(dǎo)裂紋，并通過(guò)多種斷裂強(qiáng)化機(jī)制，有效地阻止裂紋的災(zāi)難性擴(kuò)展。

研究人員受到自然材料斷裂系統(tǒng)（圖1）的啟發(fā)提出超結(jié)構(gòu)斷裂可編程元胞，并通過(guò)對(duì)近千組不同預(yù)編程元胞構(gòu)型的斷裂強(qiáng)度、斷裂角度、斷裂能量等多類(lèi)物理量的機(jī)器學(xué)習(xí)分析，建立了超結(jié)構(gòu)可編程斷裂數(shù)據(jù)庫(kù)，并結(jié)合數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)了超結(jié)構(gòu)斷裂可編程設(shè)計(jì)平臺(tái)，在超結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)了裂紋三維編程控制，并首次基于自然材料阻裂機(jī)理建立了超結(jié)構(gòu)的多類(lèi)阻裂設(shè)計(jì)與理論體系（圖1b）。

▲圖 1. 受自然啟發(fā)的超結(jié)構(gòu)斷裂可編程設(shè)計(jì)體系。

研究人員結(jié)合自然界強(qiáng)化機(jī)制的核心理論，研發(fā)了一套可在人工材料中可自由編程實(shí)現(xiàn)的斷裂強(qiáng)化超結(jié)構(gòu)體系（圖2），將裂尖相互作用、裂紋屏蔽和加固橋接等強(qiáng)化機(jī)制應(yīng)用于超結(jié)構(gòu)中，并成功觀察到了由微觀到宏觀的斷裂強(qiáng)化現(xiàn)象，不僅首次在超結(jié)構(gòu)甚至人工材料中實(shí)現(xiàn)了斷裂強(qiáng)化機(jī)理的可編程化設(shè)計(jì)，還為未來(lái)工程材料的斷裂研究提供了斷裂編程的新型探索手段。

▲圖 2：受自然啟發(fā)的超結(jié)構(gòu)的宏微觀可編程阻裂系統(tǒng)。

基于斷裂可編程強(qiáng)化體系，研究人員將不同強(qiáng)化機(jī)制有效編程于斷裂初始、裂紋擴(kuò)展、與裂紋引導(dǎo)等階段（圖3）。研究指出，相比于傳統(tǒng)超結(jié)構(gòu)裂紋的快速、直接擴(kuò)展，斷裂可編程超結(jié)構(gòu)觸發(fā)了包括裂尖鈍化與偏轉(zhuǎn)，裂紋捕捉與釘扎等諸多強(qiáng)化與防護(hù)機(jī)制（圖3b），大幅提升了斷裂能量（圖3a）。相比于不同構(gòu)型的同密度現(xiàn)有超結(jié)構(gòu)，斷裂可編程超結(jié)構(gòu)具備超過(guò)12倍斷裂能量密度提升。

▲圖 3. 具備不同斷裂強(qiáng)化與引導(dǎo)機(jī)制的斷裂可編程超結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)超結(jié)構(gòu)斷裂過(guò)程。

在應(yīng)用方面，斷裂可編程超結(jié)構(gòu)還可通過(guò)宏微觀的功能性斷裂編程，推動(dòng)無(wú)人飛行器、航空航天等先進(jìn)裝備領(lǐng)域的發(fā)展。例如，通過(guò)關(guān)鍵區(qū)域超結(jié)構(gòu)的斷裂編程設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)飛行器在撞擊時(shí)核心部件的斷裂偏轉(zhuǎn)防護(hù)（圖4）使其服役與失效的過(guò)程更為安全可靠。

▲圖 4. 可編程超結(jié)構(gòu)的功能性應(yīng)用。

該工作獲得了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（No. 2023YFB3712001）、首屆博士生國(guó)家自然科學(xué)基金（523B2048）、國(guó)家自然科學(xué)基金面上（52075327）等項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)支持。

(責(zé)任編輯：admin)

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