機械超材料因其獨特的結構設計，能夠通過“屈曲”（buckling）和“突跳”（snapping）等失穩(wěn)行為，實現(xiàn)多步變形和復雜功能。然而，在傳統(tǒng)系統(tǒng)中，這些單元結構的突跳順序往往對微小缺陷極為敏感，導致不同區(qū)域隨機發(fā)生失穩(wěn)，使整體響應難以預測和控制，極大限制了其工程應用。
針對這一挑戰(zhàn)，北卡州立大學尹杰與雪城大學張騰研究團隊提出一種全新的設計策略，通過材料內部的磁相互作用，實現(xiàn)結構失穩(wěn)過程從“隨機無序”到“可控有序”的轉變。他們設計了一種受剪紙（kirigami）啟發(fā)的軟磁性超材料，通過在柔性基體中嵌入磁性單元，使結構在變形過程中產生內在磁耦合，從而無需持續(xù)外場即可引導突跳按預定順序發(fā)生。
2026年3月20日，該成果以“Magnetic coupling transforms random snapping into ordered sequences in soft metamaterials”為題于近日在線發(fā)表于Science Advances。博士生孫昊澤為文章第一作者。
實驗顯示，該剪紙結構在磁化前后表現(xiàn)出截然不同的力學行為（圖1）。未磁化時，材料在自身重力作用下發(fā)生面外屈曲并整體同時失穩(wěn)，力–位移曲線平滑且滯回較小；而磁化后，磁相互作用(吸引力)抑制初始變形，使結構保持閉合狀態(tài)，并在拉伸過程中轉變?yōu)橹鹦邪l(fā)生的序列突跳(sequential snapping)。這種逐步觸發(fā)的失穩(wěn)過程在力學響應中表現(xiàn)為明顯的尖峰和多次力下降，不僅使初始剛度提升約18倍，還將能量耗散能力提高近4倍。
圖1:磁性剪紙超材料制備以及磁化前后變形對比
在單層結構中，盡管可存在序列突跳，但不同樣品之間的突跳順序存在明顯差異（圖2A-B）。這種隨機性源于制造過程中不可避免的微小缺陷，例如切口寬度不均或單元間隙差異。由于屈曲失穩(wěn)對缺陷高度敏感，不同樣品表現(xiàn)出不同的突跳路徑；但在同一結構中重復實驗，跳變順序保持一致，說明隨機性本質上由固定缺陷所決定。
令人驚訝的是，當這些原本表現(xiàn)出隨機行為的單層結構被組裝成多層超材料后，系統(tǒng)卻自發(fā)呈現(xiàn)出高度有序的響應（圖2C-2H）。在雙層結構中，通過調控層間磁相互作用為排斥或吸引，可以構建多種組合形式。盡管單層行為是隨機的，但在不同組合中，約89%的排斥型結構和67%的吸引型結構都表現(xiàn)出穩(wěn)定的定向突跳傳播。在更復雜的三層結構中，這一比例依然高達80%。這一結果表明，層間磁相互作用能夠有效抑制由缺陷引起的隨機性，使整體行為趨于確定性和可預測。
圖2: 層間磁相互作用實現(xiàn)隨機到有序
進一步研究發(fā)現(xiàn)，不同磁相互作用對應不同機制（圖3）。排斥型結構通過“連鎖反應”實現(xiàn)逐行傳播：局部間隙觸發(fā)相鄰單元依次跳變，形成具有方向性的序列過程；而吸引型結構則由于層間緊密耦合，使同一行單元同步變形，難以觸發(fā)連鎖傳播，但仍能在一定程度上過濾缺陷影響。三層結構中，兩種作用共同調控，表現(xiàn)出介于兩者之間的有序行為。
圖3: 有序轉變機理
這種從“隨機”到“有序”的轉變不僅提升了可控性，也顯著增強了性能。序列跳變帶來的強滯回效應，使材料的能量耗散能力最高提升約四倍，在沖擊吸收和防護結構中展現(xiàn)出良好應用前景（圖4）。
圖4:沖擊吸能應用
總結
該研究提出了一種基于內部相互作用的全新設計范式，使材料能夠在無需持續(xù)外部驅動的情況下，實現(xiàn)了機械超材料中失穩(wěn)行為從隨機到有序的轉變。基于這一原理，未來有望構建多穩(wěn)態(tài)、可重構且完全柔性的三維磁性結構系統(tǒng)，在柔性機器人、波傳播調控以及生物醫(yī)學器件等領域發(fā)揮重要作用。
文章信息：
Haoze Sun, Gabriel Alkuino, Yinding Chi, Yevhen Zabila, Haitao Qing, Denys Makarov, Teng Zhang, Jie Yin，“Magnetic coupling transforms random snapping into ordered sequences in soft metamaterials”，Science Advances,aec3182 (2026)
https://doi.org/10.1126/sciadv.aec3182
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