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：先進結(jié)構(gòu)技術(shù)研究院 攝影：先進結(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、美國羅文大學(xué)沈宸助理教授,、香港理工大學(xué)成利院士,、美國杜克大學(xué)Steven A. Cummer教授等多位波動力學(xué),、聲學(xué)超材料專家，在國際著名期刊《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)計領(lǐng)域的研究進展,，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)計方法論,、逆向設(shè)計的聲子超構(gòu)材料與定制化波動功能、以及定制化聲子超構(gòu)材料的典型應(yīng)用等,，并對聲子超構(gòu)材料逆向設(shè)計的未來研究進行了展望,。
圖1：聲子超構(gòu)材料及其潛在應(yīng)用
在過去的三十年中，作為一種具有精細微結(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,，甚至整個波場的任意構(gòu)建等大量復(fù)雜波動現(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)材料的核心問題之一就是如何合理地設(shè)計不同尺度/層級的結(jié)構(gòu)以實現(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)計主要依賴直覺或經(jīng)驗,，但往往面臨設(shè)計空間不足,、波動特性或功能有限、缺乏系統(tǒng)性等問題,。為了突破傳統(tǒng)設(shè)計的局限,，研究人員通過結(jié)合結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化、代理模型,、模糊理論,、機器學(xué)習(xí)等方法逆向設(shè)計了基元微結(jié)構(gòu)和微結(jié)構(gòu)序構(gòu)，從而實現(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)域推向了一個新的高度。
圖2：聲子超構(gòu)材料逆向設(shè)計方法概圖
如圖2所示,，文章從逆向設(shè)計所用的基本波動參量（頻散關(guān)系,、散射表征參量、動態(tài)等效參數(shù)）出發(fā),，系統(tǒng)地介紹了基于拓撲優(yōu)化,、機器學(xué)習(xí)的逆向設(shè)計方法。其中,，拓撲優(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)化等三個方面。針對基于機器學(xué)習(xí)的逆向設(shè)計,，又從數(shù)據(jù)驅(qū)動和物理信息兩個角度進行了詳細闡述,。最后，也介紹了若干典型的半經(jīng)驗式優(yōu)化策略,。針對逆向設(shè)計的聲子晶體與聲子拓撲絕緣體,，文章從帶隙工程、濾波和聚焦,、拓撲波動傳輸三個方面,，詳細地介紹了逆向設(shè)計的聲子晶體、聲光子晶體,、聲子晶體器件,、彈性波拓撲絕緣體、聲波拓撲絕緣體等,。針對逆向設(shè)計的聲子超材料,，文章從負等效性質(zhì)、低損耗隱身,、低頻抑振/聲、極端模式驅(qū)動的波傳播四個方面詳細介紹了如何逆向設(shè)計各類聲子超材料,，以及相關(guān)領(lǐng)域取得了哪些波動特性/功能的突破和新機制的發(fā)現(xiàn),。針對逆向設(shè)計的聲子超表面，文章從異常反射與吸收,、透射波束與聲輻射力,、多功能散射三個方面進行了詳細介紹。在對各類聲子超構(gòu)材料逆向設(shè)計（圖3）系統(tǒng)總結(jié)的基礎(chǔ)上,，文章進一步回顧了幾類定制化的聲子超構(gòu)材料,，結(jié)合具體的逆向設(shè)計策略，專門介紹了基于非線性濾波效應(yīng)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測,、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,，文章進一步梳理出若干機遇、待解決的問題與新的發(fā)展趨勢,。具體而言,，需聚焦研究有效的高階動態(tài)均勻化、大規(guī)模波動逆向設(shè)計,、多尺度逆向設(shè)計,、4D逆向設(shè)計與端到端逆向設(shè)計等方法；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、新拓撲的物理原理,、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)境開展逆向設(shè)計研究,。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工作,。該工作得到了國家自然科學(xué)基金原創(chuàng)探索計劃項目,、面上項目、創(chuàng)新研究群體項目,、北京理工大學(xué)“青年教師學(xué)術(shù)啟動計劃”等項目的資助,。
文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.mattod.2024.09.012
附作者簡介：
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，曾先后赴德國錫根大學(xué),、丹麥科技大學(xué),、香港理工大學(xué)訪問學(xué)習(xí)。長期從事超構(gòu)材料波動力學(xué),、智能設(shè)計與應(yīng)用,，以及裝備結(jié)構(gòu)振動與噪聲控制研究。以第一/通訊作者在《 J. Mech. Phys. Solids 》《 Natl. Sci. Rev. 》《 Mater. Today 》《 Appl. Phys. Rev. 》《 Acta Mater. 》等國際知名期刊上發(fā)表30余篇SCI論文（ESI高被引1篇），獲評“Featured in Physics”“Featured Article”“Most Cited Paper”“Inside Cover”等,，并被20余家中外媒體報道和轉(zhuǎn)載,。入選全球前2%頂尖科學(xué)家榜單，獲中國力學(xué)學(xué)會優(yōu)博獎,、北京交通大學(xué)優(yōu)博獎,。主持國家自然科學(xué)基金原創(chuàng)探索計劃、面上,、青年基金,，基礎(chǔ)加強重點項目課題、博后基金,、委托項目等10余項,。
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