超材料是一種結(jié)構(gòu)控制極其精確的復(fù)合材料。決定超材料性能的并非構(gòu)成材料的物質(zhì)，而是其結(jié)構(gòu)。通常，超材料由重復(fù)的相同單元（稱為晶胞）組成。據(jù)外媒報道，格羅寧根大學(xué)（University of Groningen）、格羅寧根大學(xué)醫(yī)學(xué)中心（UMCG）和瑞典卡爾斯塔德大學(xué)（Karlstad University）的博士生Shyam Veluvali、Anastasiia Krushynska教授及其同事的最新研究表明，超材料的整體力學(xué)響應(yīng)取決于連接在一起的晶胞數(shù)量及其排列方式。

圖片來源：格羅寧根大學(xué)

Shyam Veluvali及其同事在期刊《Small Structures》上發(fā)表的論文闡述了構(gòu)成超材料的單元的尺寸如何影響其最簡單的行為，例如彈性。他們還發(fā)現(xiàn)，單元數(shù)量也會影響超材料的特性。此外，單元數(shù)量越多，預(yù)測超材料的結(jié)構(gòu)行為就越容易。這些發(fā)現(xiàn)有助于更精確地預(yù)測超材料（例如骨植入物）的力學(xué)性能。

目前，骨植入物由鈦合金制成，其剛度遠(yuǎn)高于骨骼本身，因此會承受咀嚼或說話時的大部分負(fù)荷。這種高剛度的鈦合金會減輕剩余骨骼的負(fù)荷，而骨骼在適應(yīng)這種負(fù)荷的過程中會逐漸變得脆弱。Shyam Veluvali表示：“我們提出用一種超材料替代傳統(tǒng)的植入物。”通過調(diào)整材料的結(jié)構(gòu)，可以使植入物的剛度與骨骼的剛度相匹配。在這種情況下，骨骼和植入物共同承擔(dān)負(fù)荷，從而使骨骼保持強健。

該論文還表明，作用于超材料上的力的類型至關(guān)重要。Shyam Veluvali表示：“我們發(fā)現(xiàn)，不同類型的力，例如剪切力、拉伸力或扭轉(zhuǎn)力，會對同一種材料產(chǎn)生不同的影響。”此前人們并不了解這一點，因為之前的研究只關(guān)注單一類型的力。

所有這些研究成果都對不同類型植入物（例如骨科或脊柱植入物）的設(shè)計以及機器人手抓取器或汽車保險杠等能量吸收器的應(yīng)用具有實用價值。通過選擇合適的單元尺寸和排列方式，這項研究成果有助于設(shè)計出更安全、更耐用的結(jié)構(gòu)，以滿足各種應(yīng)用需求。