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  长久以来，科学界和工程界一直在追寻一种能同时具备超弹性、高能量密度和重负载能力的金属超材料，以满足能量吸收、冲击防护和振动控制等领域的需求。然而，受限于材料强度和传统设计范式，这一目标始终未能实现。现有的超弹性超材料多基于聚合物或橡胶，其刚度和耐久性不足，而传统金属晶格结构则在可恢复应变、强度和能量存储之间有根本性矛盾，难以兼顾。

  近日，国防科技大学方鑫研究员、浙江大学陈伟球教授和清华大学高华健院士合作，受DNA超螺旋结构启发，研究人员设计出一种全新的全金属超材料。该材料由螺旋结构组成，在压缩下发生分级扭转屈曲。这种超螺旋几何结构协同增强了负载抵抗能力和能量存储，同时缓解了应力集中，实现了高达50%的可恢复应变，其屈曲强度是密排棱柱晶格的三倍，储存的弹性单位体积内的包含的能量（焓）则是四倍。研究还基于此开发出准零刚度隔振器，在保持超低共振频率（≤2 Hz）的同时，承载能力比现有设计高出100至1000倍，成功弥合了高负载能力与低频隔振之间的关键鸿沟，甚至突破了传统弹簧的理论极限。Advanced Materials上。

  研究的起点是对传统基于直杆的手性超材料局限性的认识。尽管理论上具有优势，但其性能受制于设计上的权衡和制造缺陷。图1直观展示了研究涉及的各类样品及其力学行为，包括3D打印的手性单元、组装的超螺旋超材料，以及它们在压缩和拉伸下的变形情况。其中，螺距较大的螺旋在应变约20%时发生断裂，而小螺距样品则展现出与理论预测一致的可恢复屈曲平台，凸显了局部曲率的关键作用。当应变增大导致螺旋间接触时，结构整体刚度和承载能力会显著上升，形成一种内置的过载保护机制。

  图1：样品和实验结果。 样品参数标注在对应面板上。(a) 由20根直杆组成的3D打印手性单元。(b) 3D打印的超螺旋超材料。(c) 由圆线螺旋组装而成的超螺旋超材料在压缩下的状态。(d) 一个t=8 mm单元的变形，突出了断裂的螺旋线。(e, f) 由矩形线螺旋组装而成的超螺旋超材料在(e)压缩和(f)拉伸下的状态。(e)和(f)共享相同的图例。在(c-f)中，我们展示了具有不一样螺距t、初始角度α0和单元内螺旋数量Ns的不同样品的分析和实验结果。

  图2阐明了超弹性超螺旋金属超材料的设计概念。其灵感直接来源于DNA的局部双螺旋和全局缠绕结构。研究将传统手性单元中的直杆替换为螺旋，从而在压缩下形成耦合局部与全局扭转的分级超螺旋拓扑。这种构型改变了基本的变形和受力模式，为突破性能瓶颈提供了新思路。

  图2：超弹性超螺旋金属超材料的设计概念。 (a) 展示局部双螺旋和全局缠绕的超螺旋DNA结构。(b) 由直杆组成的手性单元在压缩位移s下的扭转屈曲变形。xyz为全局坐标系。(c) 包含局部螺旋并在压缩下发生全局扭转屈曲的超螺旋单元。(d) 超螺旋超材料。(e) 手性扭转屈曲的变形模式。(f) 作用在螺旋线上的应力分量。(g) 两端固定的倾斜螺旋的压缩弯曲屈曲，这发生在由螺旋组成的非手性晶格中。

  进入性能分析层面，图3详细对比了超螺旋单元与直杆单元的力学响应。在相同直径下，超螺旋单元虽然平台力和储存能量较低，但实现了大得多的可变形能力。增加局部曲率（如减小螺距）能在给定应力下明显提升能量存储。与非手性晶格中倾斜螺旋的纯弯曲屈曲相比，超螺旋螺旋在多个性能指标上表现更优。

  图3：超螺旋超材料的特性。 “straight”对应由直杆组成的手性单元。螺旋和直杆具有相同直径dstr= 1.2 mm，螺旋中径Dm= 4.8 mm。(a-c) 垂直压缩力Fhelix、应变能Uhelix和全局扭转角θ随全局应变εeq= s/h0的变化。(d) 不同螺距t的超螺旋模型的局部最大冯·米塞斯应力σv随εeq的变化。(e, f) 不同角度ζ和螺距t=1.8 mm的倾斜螺旋的特性。虚线表示σv σs的情况。

  图4的综合性能对比图清晰地揭示了新设计的优越性。相比于基于直杆的手性结构和密排棱柱晶格，超螺旋超材料在可恢复应变、承载强度和极限单位体积内的包含的能量三者之间实现了更优的平衡。在应变达到50%附近时，其承载强度是棱柱晶格的三倍，单位体积内的包含的能量则是四倍，真正的完成了超弹性、重载和高单位体积内的包含的能量的统一。

  图4：不同超材料架构的性能比较。 极限全局应变εlimit和极限能量密度φlimit定义为当σv= σs时的εeq和φ值。承载强度σbr定义为σv≤ σs时的max(σeq)。(a) εlimit与σbr的关系。(b) εlimit与φlimit的关系。所有手性模型R=7.5, h0=29 mm。圆线Es。矩形线Es。基于直杆的模型通过将杆直径dstr=2r从1.6 mm减小到0.2 mm获得，α0=10°。棱柱晶格通过将倾斜角ζ从70°减小到40°获得。超螺旋模型通过改变螺距t获得（α0=20°）

  这种卓越性能背后的机理和调控手段在图5中得以揭示。分析表明，全局扭转（通过扭转和面外弯曲模式）贡献了相当比例的能量存储，是提升强度和焓值的关键；而局部曲率则通过降低应力，提高了弹性变形力。通过调整螺旋直径、单元高径比，或使用矩形截面钢丝，可以灵活调控这些能量贡献的比例，从而针对不一样的需求优化性能。

  图5：通过关键参数对超螺旋超材料来性能调控。 (a) 来自轴向压缩的能量贡献ηcomp和来自扭转与面外弯曲的能量贡献ηtwist+ηout的典型变化趋势。(b, c) 圆线Dm, R=7.5, α0=20°，max(Fhelix)和max(ηtwist+ηout)随Dm和h0/R的变化。(d-f) 矩形线螺旋：ts和bs对力学响应的影响。

  基于超螺旋超材料宽而平的屈曲平台特性，研究团队成功研制出准零刚度隔振器，如图6所示。该隔振器通过引入中央辅助弹簧来平衡扭转屈曲产生的负刚度，从而获得近乎零的动态刚度。实验证明，该器件在支撑高达270牛负载时，共振频率可低至2赫兹以下。图7的基准对比分析表明，该隔振器的面承载密度和体承载密度分别达到现有最好报道的30倍和123倍，且突破了传统螺旋弹簧在低频与高承载之间的理论性能极限。

  图6：由超螺旋单元构成的准零刚度隔振器。 (a) 一个小型准零刚度隔振器支撑重物的实物图。(b) 由四个手性螺旋和一个中央辅助弹簧组成的准零刚度隔振器。中央弹簧在全局手性扭转下产生压缩和扭转。(c) 带或不带中心弹簧的单元总力Ft。(d) 在不同静态位移(s)下，单自由度非线性系统的振动传递谱，入射振幅A0=200 μm。(e) 不同质量下的实验和数值传递结果。

  图7：准零刚度隔振器的最小共振频率与承载能力基准对比。 (a) 额定载荷重量mg的面密度Pa与最小频率f0的关系。(b) 体密度Pv与f0的关系。如附表S1所示，现有的准零刚度隔振器基于倾斜弹簧、X形折叠结构、屈曲梁/板、磁性元件、屈曲超材料或凸轮滚子设计。三条平滑曲线代表典型钢弹簧隔振器的极限性能（当改变钢丝直径dstr时，最大Pa或Pv与最小f0的关系），安全系数fsafe分别为1和2。

  这项研究成功引入了超螺旋金属超材料，解决了宏观金属系统同时实现超弹性和高能量密度的长期难题。其受DNA启发的架构实现了性能的协同提升，为结构力学开辟了新前沿。这种设计原则具有通用性、可扩展性和可制造性，有望推动航空航天、交通运输、土木基础设施和精密工程等领域的发展，催生兼具优异韧性与耐久性的先进结构、高效能量吸收装置以及超低频重载隔振系统。