近期，上海交通大学特种材料研究团队利用机器学习技术开发了一种创新的设计方法，实现了在微观尺度上对超结构复杂断裂行为的空间编程。
通过模仿自然界中观察到的材料宏微观断裂调控机制，不仅首次在超结构中实现可编程茹裂纹弯曲、裂纹偏转、裂尖钝化等自然界独有的断裂强化现象，还能针对指定的裂纹路径进行编程设计。
研究显示，与传统超结构相比，这些结构在断裂能量密度方面实现了高达 1235% 的显著提升，这主要得益于裂尖相互作用、裂纹屏蔽、加固桥接以及这些机制的协同作用。
图丨特种材料研究团队（来源：王洪泽、吴一）
材料不可预测、灾难性的断裂是长期困扰多学科领域的重大难题，由于这项技术首次利用超结构解决了工程材料在服役过程中的断裂预测与阻裂难题，其在材料、机械等多学科领域具有重要意义，并在多个工程领域展现出广泛的应用前景。
具体来说，这项技术可广泛应用于具有断裂风险的材料与结构设计领域，例如家用汽车的冲击防护、民用航空的结构安全，以及机器人抗冲击构件设计等。
其核心价值在于，能够实现复杂断裂的精确预测、控制与基于应用场景的智能阻裂设计，不仅可通过断裂强化大幅提升构件的阻裂特性，还可通过功能性断裂引导与疏散以确保关键部位的安全性，这对于设计轻量可靠的断裂可预测、可防护的新一代工程系统至关重要。
审稿人对该研究评价称，“本研究提出了一种通过在元胞内设计断裂调控纤维的新颖方法，实现了断裂可编程超结构与微观尺度裂纹的可编程化设计。并且，所提出的超结构设计策略极具创新。”
日前，相关论文以《实现自然阻裂机理的断裂可编程超结构》（Damage-programmable design of metamaterials achieving crack-resisting mechanisms seen in nature）为题发表在 Nature Communications[1]。
该项工作由上海交大特种材料研究所与香港大学陆洋教授团队、英国帝国理工大学明森阮（音译，Minh-Son Pham）教授团队合作完成。
上海交通大学博士生高振洋是第一作者，王洪泽副教授和吴一副教授担任共同通讯作者，共同作者还包括上海交通大学王浩伟讲席教授、夏存娟副教授和博士生张晓林。
图丨相关论文（来源：Nature Communications）
“解码”自然材料：可编程地设计超结构
超结构因其出色的轻质承载能力和独特的力学特性，已成为航空发动机和空天结构等领域研究和应用的热点方向之一。
然而，超结构在实际应用中普遍存在断裂问题，成为限制其广泛应用的关键障碍。
现有的人工材料几乎无法控制裂纹的形成和扩展，这些随机且不可控的裂纹往往会导致工程部件在断裂过程中，产生灾难性的后果。尤其是对于复杂的设计和精细构建的超结构而言，断裂问题更加敏感和危险。
为解决这一挑战，研究人员从超结构的源头开始梳理。他们发现，超结构的设计灵感大多数来源于自然界的生物结构，其具有可控裂纹路径并能增强材料对裂纹扩展的微结构，例如金属的键合结构、陶瓷和人类骨骼的高度镂空结构等。
并且，动物、植物以及在断裂强化方面表现出色的自然材料，都采用了从微观到宏观的断裂调控机制。
通过微观结构中的精细几何结构，在裂纹起始和发展过程中实现了高度控制，从而触发断裂强化机制。受此启发，他们开始探索在超结构中实现类似的效果的可能性。
由于传统的材料断裂力学和断裂强化理论体系尚在发展，很多理论还停留在经验总结阶段，无法对新型超结构等复杂结构建立通用的断裂预测模型，因而研究人员面临计算量和推导难度高的双重挑战。
另一方面，以往研究通常依赖有限元模拟和有限元分析，来分析镂空结构的断裂，但这种方法需要大量的计算资源，在复杂结构的快速和准确预测存在局限性。
图丨受自然启发的超结构断裂可编程设计体系（来源：Nature Communications）
基于此，研究人员提出，引用 AI 技术来深入探究如何控制超结构中的裂纹，并预测其裂纹发展的行为，进而研究并提出首个针对超结构的断裂调控与强化的理论体系。
结果显示，机器学习极大地提升了人们对超结构断裂行为的理解和预测能力，它能够在短短 1 秒钟内预测数千个元胞的不同断裂方式。
王洪泽表示，这不仅揭示了超结构复杂的几何设计与断裂行为之间的联系，而且使得超结构的巨量迭代与深度优化成为可能，从而快速设计生成具有精准断裂行为的新型复杂超结构。
通过裂纹控制机制精确控制裂纹的行为
这项研究历时三年多时间，精准控制并预测超结构元胞的断裂强化行为，在当时是一项极具挑战的任务。
需要了解的是，元胞断裂的模拟过程复杂而繁琐，尽管可以直接从模拟中获得力学曲线和断裂信息，但断裂角度的测量却需要人工逐一完成。
在研究初期，由于不确定需要多少数据才能训练出有效的机器学习模型，因此研究人员初步尝试了 200 个元胞的数据，但效果并不理想。转机出现在收集 500-600 个数据点的阶段，模型的性能开始显著提升。
高振洋表示：“初期的不顺利让我感到有些沮丧，但我决定无论如何都要将这项工进行到底。看到模型性能显著提升时，我才感到心里有底了，好在当初没有放弃。”
最终，经过 1000 多组断裂测试并不断输入新数据，该模型实现了可靠且准确地预测其元胞的断裂强化行为。
图丨可编程超结构的功能性应用（来源：Nature Communications）
该研究首次建立了超结构断裂强化理论和针对超结构在不同断裂阶段的裂纹控制机制，从而将自然界独特的断裂强化机制引入到超结构设计中。
例如，在裂纹的初始阶段，研究人员发现，在超结构预编程的裂纹屏蔽机制可以显著钝化原本尖锐的裂纹尖端，从而大幅提升结构的抗断裂性能。
随着裂纹的进一步扩展，超结构的裂尖相互作用和加固桥接等机制开始发挥作用，对裂纹的后续发展产生重要影响。
有趣的是，他们还发现，可以基于这些机制对超结构的断裂行为进行任意编程设计，以适应不同的应用需求。例如，有些应用更侧重于控制裂纹的初始阶段，而一些应用则可能更关注裂纹扩展的过程。
“通过灵活组合这些机制可以在不同力学场景实现最佳的阻裂效果，从而为各种工程应用提供量身定制的解决方案。这种可编程化的断裂设计能力，能够精确控制裂纹扩展行为，优化材料与结构的断裂性能，以满足特定应用的定制化需求。”高振洋说。
研究人员在研究中展示了超结构的奇异特性，甚至可以让超结构断裂出一个特定的字母或图案，比如“SJTU”。
AI 不仅能理解超结构，还有望设计超结构
该技术为超结构的断裂问题提供了新的解决方案，并在汽车的撞击断裂、飞机结构的安全，以及机器人的轻量防护设计等领域表现出应用潜力。
将该技术整合到新一代汽车与无人飞行器中，可以在发生碰撞时降低关键部位的损害。通过裂纹偏转和智能防护措施，有望显著增强车辆或飞行器结构的可靠性，为乘客安全提供保障。
另一方面，这一技术还有望促进卫星安全、有序地重返大气层，并降低对地面的潜在威胁。
具体而言，在卫星返回地球的过程中，可基于精确的裂纹控制技术，引导卫星按预定的方式解体，使超结构的裂纹扩展得更细碎，从而易于在大气层中燃烧殆尽。
需要了解的是，在增材制造领域，复杂的设计并不会显著增加成本，因此，超结构极有可能逐步取代传统结构。
“目前卫星结构已经开始采用超结构作为其填充物，但在航空和民用领域由于可靠性因素限制而应用缓慢。我们的研究突破了这一局限，我认为超结构有望在未来十年内在更多领域落地应用。”王洪泽说。
图丨可编程超结构效果图（来源：王洪泽、吴一）
特种材料研究团队的主要研究方向为激光增材制造和激光焊接/激光熔覆/修复，其中，高振洋的博士阶段致力于结构设计方向的研究。
此前，特种材料研究所主要聚焦于铝合金 3D 打印技术，成功利用粉末制造高强度铝合金。随着增材制造技术的发展，他们的研究范围也随之扩展，以适应新时代对材料和结构的新要求。
在 AI 的助力下，增材制造的研究不仅限于结构设计，还涵盖了激光与粉末的相互作用、材料成分设计以及实时监控等多个层面。AI 的应用加速揭示了增材制造过程中的未知机制，使整个流程优化，向实现智能化制造发展。
“这项研究贯穿了我的整个博士阶段，完成这项研究既有艰辛也有成就感。特别是研究期间还经历了新冠疫情，这反而推动了我们更专注于 AI 模型训练，并实现了一系列优异的效果。”高振洋表示。
该课题组希望通过整合 AI 技术，使材料设计更智能化。他们不止步于让 AI 理解超结构，还希望它能理解人类的交互，并利用生成式 AI 进行设计，这也意味着传统设计方法正在向智能化设计转变。
未来，研究人员计划将超结构设计推广到更广泛的大众用户群体。现在，他们正在开发一种新型软件设计系统，用户只需输入一句话，就能快速生成符合特定需求的复杂结构设计，例如定制化设计鞋底等。
“这项工作不仅具有实际应用价值，也为未来的材料设计开辟了新的可能性。”王洪泽表示。
参考资料：
1.Gao, Z., Zhang, X., Wu, Y. et al. Damage-programmable design of metamaterials achieving crack-resisting mechanisms seen in nature. Nature Communications 15, 7373 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-51757-0
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