北理工課題組在聲子超構(gòu)材料領(lǐng)域發(fā)表綜述文章
發(fā)布日期：2024-10-18 供稿：先進(jìn)結(jié)構(gòu)技術(shù)研究院 攝影：先進(jìn)結(jié)構(gòu)技術(shù)研究院
編輯：郭佳琛 審核：楊亞政 閱讀次數(shù)：
近日,，北京理工大學(xué)先進(jìn)結(jié)構(gòu)技術(shù)研究院董浩文副教授聯(lián)合天津大學(xué)汪越勝教授、美國(guó)羅文大學(xué)沈宸助理教授,、香港理工大學(xué)成利院士,、美國(guó)杜克大學(xué)Steven A. Cummer教授等多位波動(dòng)力學(xué)、聲學(xué)超材料專(zhuān)家,，在國(guó)際著名期刊《Materials Today》（影響因子：24.537）上發(fā)表了題為“Inverse design of phononic meta-structured materials”的前沿綜述文章,，系統(tǒng)回顧了聲子超構(gòu)材料逆向設(shè)計(jì)領(lǐng)域的研究進(jìn)展，全面梳理了聲子超構(gòu)材料（圖1）的基本概念,、內(nèi)涵,、逆向設(shè)計(jì)方法論、逆向設(shè)計(jì)的聲子超構(gòu)材料與定制化波動(dòng)功能,、以及定制化聲子超構(gòu)材料的典型應(yīng)用等,，并對(duì)聲子超構(gòu)材料逆向設(shè)計(jì)的未來(lái)研究進(jìn)行了展望。
圖1：聲子超構(gòu)材料及其潛在應(yīng)用
在過(guò)去的三十年中,，作為一種具有精細(xì)微結(jié)構(gòu)和序構(gòu)的人工功能復(fù)合材料,，聲子超構(gòu)材料(Phononic meta-structured materials, PMSMs)吸引了廣泛的關(guān)注，從頻散工程,，到波前調(diào)控,，甚至整個(gè)波場(chǎng)的任意構(gòu)建等大量復(fù)雜波動(dòng)現(xiàn)象與功能方面均展現(xiàn)出了驚人的彈性波或聲波操縱能力。聲子超構(gòu)材料的核心問(wèn)題之一就是如何合理地設(shè)計(jì)不同尺度/層級(jí)的結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)需求的結(jié)構(gòu)-波相互作用,。傳統(tǒng)的聲子超構(gòu)材料設(shè)計(jì)主要依賴(lài)直覺(jué)或經(jīng)驗(yàn),，但往往面臨設(shè)計(jì)空間不足、波動(dòng)特性或功能有限,、缺乏系統(tǒng)性等問(wèn)題,。為了突破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的局限，研究人員通過(guò)結(jié)合結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化,、代理模型,、模糊理論、機(jī)器學(xué)習(xí)等方法逆向設(shè)計(jì)了基元微結(jié)構(gòu)和微結(jié)構(gòu)序構(gòu),，從而實(shí)現(xiàn)了需求的極端物理性質(zhì),、新奇物理現(xiàn)象與功能，將該領(lǐng)域推向了一個(gè)新的高度,。
圖2：聲子超構(gòu)材料逆向設(shè)計(jì)方法概圖
如圖2所示,，文章從逆向設(shè)計(jì)所用的基本波動(dòng)參量（頻散關(guān)系、散射表征參量,、動(dòng)態(tài)等效參數(shù)）出發(fā),，系統(tǒng)地介紹了基于拓?fù)鋬?yōu)化、機(jī)器學(xué)習(xí)的逆向設(shè)計(jì)方法,。其中,，拓?fù)鋬?yōu)化方法又包含了基于全波響應(yīng)、本征物理參量,、混合局部-全局響應(yīng)的優(yōu)化等三個(gè)方面,。針對(duì)基于機(jī)器學(xué)習(xí)的逆向設(shè)計(jì)，又從數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和物理信息兩個(gè)角度進(jìn)行了詳細(xì)闡述,。最后,，也介紹了若干典型的半經(jīng)驗(yàn)式優(yōu)化策略。針對(duì)逆向設(shè)計(jì)的聲子晶體與聲子拓?fù)浣^緣體,，文章從帶隙工程,、濾波和聚焦、拓?fù)洳▌?dòng)傳輸三個(gè)方面,，詳細(xì)地介紹了逆向設(shè)計(jì)的聲子晶體,、聲光子晶體、聲子晶體器件,、彈性波拓?fù)浣^緣體,、聲波拓?fù)浣^緣體等。針對(duì)逆向設(shè)計(jì)的聲子超材料,，文章從負(fù)等效性質(zhì),、低損耗隱身、低頻抑振/聲,、極端模式驅(qū)動(dòng)的波傳播四個(gè)方面詳細(xì)介紹了如何逆向設(shè)計(jì)各類(lèi)聲子超材料,，以及相關(guān)領(lǐng)域取得了哪些波動(dòng)特性/功能的突破和新機(jī)制的發(fā)現(xiàn)。針對(duì)逆向設(shè)計(jì)的聲子超表面,，文章從異常反射與吸收,、透射波束與聲輻射力、多功能散射三個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)介紹,。在對(duì)各類(lèi)聲子超構(gòu)材料逆向設(shè)計(jì)（圖3）系統(tǒng)總結(jié)的基礎(chǔ)上,，文章進(jìn)一步回顧了幾類(lèi)定制化的聲子超構(gòu)材料，結(jié)合具體的逆向設(shè)計(jì)策略,，專(zhuān)門(mén)介紹了基于非線(xiàn)性濾波效應(yīng)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè),、基于超寬帶阻抗調(diào)制的低頻寬帶低回聲吸音器、基于彈性超材料的振動(dòng)能量俘獲裝置,、以及基于聲學(xué)超表面的全息超聲微粒組裝等代表性應(yīng)用（圖4）,。
圖3：各色各樣逆向設(shè)計(jì)的聲子超構(gòu)材料
圖4：定制化聲子超構(gòu)材料的代表性應(yīng)用
在結(jié)論與展望部分，文章進(jìn)一步梳理出若干機(jī)遇,、待解決的問(wèn)題與新的發(fā)展趨勢(shì),。具體而言，需聚焦研究有效的高階動(dòng)態(tài)均勻化,、大規(guī)模波動(dòng)逆向設(shè)計(jì),、多尺度逆向設(shè)計(jì)、4D逆向設(shè)計(jì)與端到端逆向設(shè)計(jì)等方法,；需關(guān)注多功能聲子超構(gòu)材料,、可重構(gòu)聲子超構(gòu)材料,、時(shí)變聲子超構(gòu)材料、智能聲子超構(gòu)材料,、非厄米聲子超構(gòu)材料等新方向,；需解決多物理建模、多學(xué)科優(yōu)化,、新拓?fù)涞奈锢碓?、高可制造性等共性難題；需結(jié)合仿生學(xué)原理,、極端功能/環(huán)境開(kāi)展逆向設(shè)計(jì)研究,。最后，提出了聲子結(jié)構(gòu)基因工程（Phononic structures genome engineering）的概念,，介紹了其內(nèi)涵,，并展望了可能催生的新應(yīng)用。
北京理工大學(xué)為該工作的第一完成單位,，北京理工大學(xué)先進(jìn)結(jié)構(gòu)技術(shù)研究院的董浩文副教授（一作）,、天津大學(xué)汪越勝教授、美國(guó)羅文大學(xué)沈宸助理教授為本文的共同通訊作者,。香港理工大學(xué)成利院士,、美國(guó)杜克大學(xué)Steven A. Cummer教授提供了重要指導(dǎo)，香港理工大學(xué)劉澤博士,、清華大學(xué)劉陳續(xù)博士,、青島大學(xué)趙勝東副教授、北京理工大學(xué)任志文博士,、賀旭東博士生也參與了此項(xiàng)工作,。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金原創(chuàng)探索計(jì)劃項(xiàng)目、面上項(xiàng)目,、創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目,、北京理工大學(xué)“青年教師學(xué)術(shù)啟動(dòng)計(jì)劃”等項(xiàng)目的資助。
文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.mattod.2024.09.012
附作者簡(jiǎn)介：
董浩文,，北京理工大學(xué)副教授,、博導(dǎo)。獲北京交通大學(xué)固體力學(xué)博士學(xué)位,，曾先后赴德國(guó)錫根大學(xué),、丹麥科技大學(xué)、香港理工大學(xué)訪問(wèn)學(xué)習(xí),。長(zhǎng)期從事超構(gòu)材料波動(dòng)力學(xué),、智能設(shè)計(jì)與應(yīng)用，以及裝備結(jié)構(gòu)振動(dòng)與噪聲控制研究。以第一/通訊作者在《 J. Mech. Phys. Solids 》《 Natl. Sci. Rev. 》《 Mater. Today 》《 Appl. Phys. Rev. 》《 Acta Mater. 》等國(guó)際知名期刊上發(fā)表30余篇SCI論文（ESI高被引1篇）,，獲評(píng)“Featured in Physics”“Featured Article”“Most Cited Paper”“Inside Cover”等,，并被20余家中外媒體報(bào)道和轉(zhuǎn)載。入選全球前2%頂尖科學(xué)家榜單,，獲中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)優(yōu)博獎(jiǎng),、北京交通大學(xué)優(yōu)博獎(jiǎng),。主持國(guó)家自然科學(xué)基金原創(chuàng)探索計(jì)劃,、面上、青年基金,，基礎(chǔ)加強(qiáng)重點(diǎn)項(xiàng)目課題,、博后基金、委托項(xiàng)目等10余項(xiàng),。
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