受自然启发，损伤可编程超材料引领材料科学新篇章
上海交通大学的研究团队近日在材料科学领域取得了一项重大突破。他们利用人工智能技术，成功研发出一种具有“可损伤编程设计”的超材料，这种材料能够在微观层面上模仿自然材料的抗裂机制。
自然的启示：微观结构与抗裂机制
长期以来，人造超材料的断裂行为一直是工程师和科学家们面临的难题。与骨头和陶瓷等天然材料不同，人造超材料的断裂往往会导致灾难性的破坏，且对裂纹扩展的抵抗力有限。自然界的材料，如人类皮质骨和陶瓷，具有独特的微观结构，能够在空间上产生可控的裂纹路径，从而提高对裂纹的抵抗力。
上海交大的创新方法
上海交通大学的研究人员受到自然强化机制的启发，提出了一种新的设计方法。该方法旨在开发一种系统的设计方法，使损伤可编程超材料在细胞中具有可工程化的微纤维，从而在空间上编程微尺度裂纹行为。
AI的助力：加速设计与优化
在机器学习的支持下，研究团队开发了一种数据驱动的损伤编程超材料设计方法。这种方法利用机器学习算法作为设计引擎，加速生成可损伤可编程单元。这些单元具备先进的增韧功能，如裂纹弯曲、裂纹偏转和屏蔽，并针对给定的裂纹路径进行优化。
显著的效果：断裂能量吸收提升1235%
研究团队表示，这种增韧特性能够在裂纹尖端相互作用、裂纹屏蔽、裂纹桥接以及这些机制的协同组合的基础上有效地实现抗裂机制。与传统超材料相比，吸收的断裂能量最高可提高1235%。这一成果对于开发损伤容错材料和轻量化工程系统具有广泛的意义。
发表在国际知名期刊
该研究以「Damage-programmable design of metamaterials achieving crack-resisting mechanisms seen in nature」为题，于2024年8月27日发布在《Nature Communications》上。这一成果不仅展示了上海交通大学在材料科学领域的创新能力，也为全球材料科学的研究提供了新的方向。
未来的展望
随着制造技术的进步，具有复杂微结构几何形态的超材料被设计并实现，展现出新颖的电磁操控、热隐身效应和声学控制等特性。机械超材料具备超高刚度重量比、超高能量吸收、负泊松比等优异力学性能，在生物医学、航空航天和土木工程等领域具有广泛应用前景。
然而，这类材料在控制裂纹形成和防止快速断裂扩展方面仍面临挑战。上海交通大学的研究成果为解决这一问题提供了新的思路，有望推动超材料领域的发展，为各类工程应用带来革命性的变革。
结语
上海交通大学的研究团队利用人工智能技术，成功研发出具有自然抗裂机制的损伤可编程超材料，为材料科学领域带来了新的突破。这一成果不仅展示了人工智能在材料设计中的应用潜力，也为未来的工程实践提供了新的方向和可能。
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