3D打印解锁网络型超材料：粗细长短跨量级，抗冲击还能引导弹性波

       2026年11月，一支由美国东北大学、麻省理工学院（MIT）等机构组成的团队借助3D打印技术造出的一类新型人工材料——"尺度丰富"（scale-rich, SR）超材料，在被压缩、受冲击时损伤更分散、吸能更好，还能像透镜聚焦光线一样引导和汇聚弹性波。相关成果发表于顶刊Nature，题目是《Scale-rich network-based metamaterials》（尺度丰富的网络型超材料）。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-026-11191-2

研究背景
       材料本质上可以看作一张网络：原子之间靠化学键相连，人工结构材料里则是一根根细杆相互连接。长期以来，无论是金属晶体还是力学超材料（通过微观结构设计获得特殊性能的人工材料），内部构件都比较均匀：杆的粗细差不多、长度接近，连接方式也高度一致。但自然界和现实世界里的复杂系统并不这样。从互联网、社交网络到大脑和血管网络，节点之间的连接多少、链路长短都差异很大，这种参差不齐支撑了系统的稳定与灵活。生物结构同样如此：蜻蜓翅膀的翅脉、树叶的脉络、蜘蛛网的丝、骨骼内部的小梁，都在很宽的尺寸范围内层层分布。过去虽然有研究者尝试用网络思路解释材料性能，但一直缺少一套简单可控的方法，让人工材料的构件在长度、粗细和连接方式上同时拉开差距，也说不清这种多样性会给材料性能带来什么。
研究内容：像"长网络"一样长材料
• 两个参数，长出粗细长短各异的网状结构
      研究团队的做法很像生长一张网络：先在一块方形区域里放第一根细杆，之后每一步随机选一个位置和方向，再长出一根新的细杆，直到它碰到已有杆件或区域边界为止。整个生长过程只受两个简单参数控制：杆的初始粗细，以及粗细随生长如何衰减。
这样长出来的结构，杆件的粗细、长短和连接数量都不再集中在一个窄小范围内，而是覆盖很宽的尺度区间。参数不同，材料最终要么被杆件完全填满，要么保持可调的空隙率。借助两种3D打印工艺，团队把计算模型变成了实物：普通光聚合打印可以做出厘米级样品，双光子光刻则能做出微米级的精细结构。


△ a，超材料从第一根筋条开始，每一步再随机加入新的细杆，直到与已有杆件或边界相接；每根杆的位置、朝向和粗细都被记录下来。b，与实物结构对应的"网络模型"：把每根筋条看作一个节点，杆件之间的交点看作连线，小图展示了网络的生长过程。c，两个设计参数决定材料最终是被完全填满，还是保持空隙可调；白点对应实验打印出的样品。d，两种工艺打印出的实物：左侧为厘米级（面曝光光聚合），右侧为微米级（双光子光刻）。e–g，筋条粗细、长短、连接数量的分布都覆盖很宽的范围。h，材料空隙率随设计参数的变化。i–k，与六边形点阵、方形点阵和沃罗诺伊镶嵌三种传统结构相比，SR 结构在粗细、长短、连接度上的分布范围明显更宽。
• 软硬方向可以按需调节
       材料在不同方向上的软硬程度（专业上叫弹性各向异性），是衡量结构设计能力的一项重要指标。团队把SR结构和三种常见传统结构放在一起比较：六边形和沃罗诺伊结构各个方向软硬接近一致，方形点阵则明显偏向两个方向；而SR结构可以通过参数调整，从各个方向软硬差不多平滑过渡到某些方向特别硬。整体来看，SR结构软硬方向的可调范围远超这几种传统结构的总和，在相同密度下既能做成偏硬的定向结构，也能做成接近各向同性的结构。进一步分析还发现，每根杆件储存多少弹性应变能，由它的连接数量、粗细和朝向共同决定，并遵循一条统一的简单规律——也就是说，材料宏观上的软硬，最终可以追溯到每一根杆件的贡献。


△ a，模拟与实验测得的各方向刚度分布：传统六边形、沃罗诺伊结构各方向接近一致，方形点阵高度偏向两个方向；SR 结构则可从接近各向同性过渡到明显各向异性；右侧为实验实测结果。比例尺：10 mm。b，与传统结构相比，SR 在"密度—各向异性"上的可调范围宽得多，黑点为实验测量值。c，随设计参数变化，最硬方向的比刚度升高、最软方向基本不变，各向异性由此产生；实线为均值，阴影为误差范围。d，各向异性在参数空间中的分布图谱，可用于按需求设计材料。e，生成过程中每根筋条储存的弹性应变能随时间变化。f，两根示例筋条在不同时刻的状态，对应 e 中的标记。g，每根筋条的能量由其连接数、粗细和朝向共同决定，并遵循同一规律。
•压缩实验
       团队对样品做了大变形压缩实验。三种传统结构在重复测试时模式比较固定：方形点阵一层层弯折失稳，六边形点阵出现横贯整体的压实带，沃罗诺伊结构也在底部局部压实。相比之下，SR结构里长短、粗细不同的杆件相互交错，最薄弱的一根杆先坏，不会引发一连串连续坍塌，因此不形成集中的压实带，损伤分散在整个结构中。从吸能能力看，SR结构在压缩过程中吸收的能量可以匹敌甚至超过三种传统对照结构。


△ a，单轴压缩的应力—应变曲线：传统结构重复样品行为稳定、模式固定；SR样品曲线各异，可设计空间更宽。b，韧性（单位体积吸能能力）—密度对比图，SR结构的吸能能力不输甚至超过传统结构。c，不同应变下的变形与局部压实情况：三种传统结构都出现了局部压实带，只有SR结构没有形成集中的压实带；图像追踪至宏观应变25%。比例尺：10 mm。d，破坏集中程度随应变的演化及变形快照，SR结构的局部化程度最低。
• 抗冲击：受力平稳，峰值力低，耗能多
      好的缓冲吸能材料有两个目标：尽量多地吸收冲击能量，同时尽量压低瞬间的冲击力。团队用落锤对样品做了高速冲击实验。传统结构在冲击下要么逐层破碎、受力忽高忽低，要么在很短时间内出现局部断裂。SR结构则没有明显的破碎带，损伤在内部充分扩散，受力过程呈现平缓的平台：初始冲击力低，整体表现最平稳。综合峰值力和单位重量消耗的冲击能量来看，在所比较的全部传统结构中，SR体系同时落在"冲击力小、耗能多"的最优区间，在准静态压缩中表现出的优势，在猛烈撞击下同样成立。


△ a，高速影像记录：动态冲击载荷下SR系统把损伤均匀分散开。b，力—时间曲线：SR材料的受力过程平稳、呈平台状，而传统结构受力起伏剧烈。c，SR结构同时做到峰值冲击力更低、单位重量耗能更多。d，准静态下的各向异性与局部化对比：SR是唯一在保持损伤分散的同时，覆盖宽各向异性范围的体系。

•  能引导和汇聚弹性波，做出"声波透镜"
      由于软硬方向可以灵活调节，SR结构还能控制弹性波在内部的传播方向。团队分析了波在不同设计样品中的传播速度，发现SR材料可实现的折射率范围远宽于传统点阵结构，为波导、透镜等功能提供了空间。研究人员用不同折射率的SR单元拼出一个伦伯（Luneburg）式透镜：平面波穿过透镜后，会在另一侧汇聚成一个清晰的焦点，聚焦处的波能量明显高于周围。这类结构未来可用于亚波长成像、振动能量收集等场景。


△ a，各样品的波速方向图：SR 可实现的波速与各向异性范围很宽；灰色系列展示各向异性范围，彩色系列为制作透镜用的各向同性单元。b，由不同折射率 SR 单元拼出的伦伯式透镜（四分之一），蓝色折射率高、橙色低。c，理想伦伯透镜的聚焦原理（上）与本设计的折射率分布（下）示意。d，稳态波场：平面波从白色源入射，在红色焦点处汇聚，波从焦点向外辐射。e，穿过焦点截面上的位移强度：SR 透镜聚焦峰尖锐，随机排布的对照透镜几乎无法聚焦。
•  设计灵活
       这套框架的另一个特点是自由度高：杆件朝向可以随机、定向或按特定规律排列，密度可以在结构内部做成梯度，模型还能从二维推广到三维的板状和杆状结构。团队还演示了一项防护应用：借鉴柚子皮的天然结构，设计了一个径向密度渐变、部分杆件定向排列的圆形SR结构，包裹住内部一块脆弱的圆盘部件。光弹性实验显示，同等条件下方形和六边形点阵内部出现多条明显的应力条纹，SR结构中的条纹少得多；模拟进一步证实，被SR结构保护的部件，内部受力最多降低约五倍。这表明该框架可以根据需求定制结构，把外力引导到外围，减少内部关键部件受到的冲击。


△ a，筋条取向可自由控制：随机（i）、定向排列（ii）、按场极化（iii）；密度也可做成梯度（iv）；并可推广到三维板（v）与梁（vi）结构。b，在非凸形状（人手轮廓）内分区组合三种取向图案。c，功能化设计：在给定区域内布置结构，保护内部"载荷"。d，借鉴柚子皮天然结构的圆形设计：径向密度渐变，部分筋条定向排列。e，被保护部件的应力对比：方形、六边形点阵内部应力条纹多，SR结构条纹明显更少；模拟显示SR防护下部件内部应力最多降低约五倍。
研究结论
      总结来说，这项工作打破了人工结构材料"只能用单一尺度"的传统思路：仅凭两个简单参数，就让杆件的粗细、长短和连接方式在同一材料里跨越多个量级，同时还能控制材料的整体密度和软硬方向。更难得的是，SR结构把几类原本难以兼得的优点集于一身：软硬方向可调、受压时损伤分散、吸能能力强、冲击下受力平稳、耗能效率高，还能调控弹性波。在与多种周期和无序传统结构的对比中，它是唯一一类既能在很大范围内调节各向异性、又能保持损伤分散的材料家族，占据了独特的性能前沿。
研究展望
      在应用层面，这类材料有望用于自适应承载结构、防护装备（如头盔）、缓冲包装和装甲等场景；弹性波调控能力则可延伸到波导、透镜、亚波长成像与振动能量收集等方向。研究团队还会把这套生成思路推广到三维，探索更轻、更坚固、方向可调的三维超材料。在学科层面，这项研究也为网络科学带来了新的课题：在抽象网络中并不重要的"连线长短和粗细"，一旦变成真实材料构件，就会产生各向异性、应力传播等新现象。研究者认为，这种有实体的网络材料，有望成为一个新的研究方向。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-026-11191-2