2024年4月，广东石油化工学院教师李祖宇博士在《自然》子刊Nature Communications发表题为“基于多层策略与拓扑优化生成的极高刚度超材料”（Ultrastiff metamaterials generated through a multilayer strategy and topology optimization）的研究论文。这一研究成果以轻质点阵工程结构为研究对象，提出了一种结合多层嵌套策略与拓扑优化方法的壳系微结构设计框架，优化设计得到了一系列具有极高刚度的新型点阵超材料。

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由不同类型几何组件所形成的超材料往往具有不同的力学性质，如杆系、梁系、板系、壳系的点阵超材料在不同方面各有优点。为充分探索各结构组件类型的潜力，该研究提出一种结合多层嵌套策略与拓扑优化方法的点阵超材料设计技术：以三周期极小曲面为基础对象，通过壳体的多层嵌套，实现设计空间的扩展、设计自由度的增加、设计可能性的多样化，进一步结合水平集拓扑优化方法，对多层壳系的周期性微结构进行轻量化，最终由计算机自动与理性地寻优设计得到如图1所示的一系列梁-板-壳混合体系的点阵超材料。

图1 壳系点阵微结构的多层嵌套策略与拓扑优化原理

该研究采用增材制造技术加工制备出相应的点阵超材料，并以有限元数值仿真与样品物理测试相结合的方式，验证与分析了这一系列超材料所具有的极高刚度与良好吸能性。同时，在研发具有可调节刚度与声、电、流等多物理场特性的

新型超材料方面，该研究中所提出的设计框架表现出巨大的应用潜力。

图2 优化设计所得超材料的刚度与强度性能

作者介绍：

广东石油化工学院自动化学院教师李祖宇博士、清华大学航天航空学院副教授杜建镔为论文的共同通讯作者，清华大学航天航空学院博士研究生刘洋为论文的第一作者。论文合作者还包括清华大学博士研究生王永桢、任宏塬、陈雪乾，新加坡南洋理工大学王一凡副教授、孟志强博士，美国西北大学陈卫院士、王力为博士。

（文/图 自动化学院）

撰稿：李祖宇    审稿：高志英    审核：方略    签发：贺嫁姿