随着技术发展，载运工具需要适应更加复杂多变的环境，而传统机械结构存在重量大、占空间等问题，难以满足这种需求。对此，超材料有望提供新的解决方案。超材料具有便于设计、支持跨尺度调控、呈现多种超常物理特性等优势，尤其是可变形超材料，在轻量化、智能化方面具有巨大潜力，因而在载运工具应用领域备受关注。
来自北京航空航天大学的殷莎等人在《中国科学：物理学 力学 天文学》青年科学家专栏发表了综述文章《可变形超材料技术发展现状及应用综述》，介绍了可变形超材料的典型变形机理，及其在载运工具领域的应用案例。
文章首先总结出可变形超材料的五类常见变形机理（如图1所示），并对其典型结构分别展开介绍。
图1 可变形超材料的五类变形机理
点阵和蜂窝等多胞力学超材料具有轻量化和高可设计性，能够通过微结构的协同作用放大整体变形。通过调控材料的等效泊松比，还可以进一步优化变形特性，例如零泊松比结构可避免横向变形影响，而混杂正负泊松比的结构能够实现不同的横向变形模式。
多稳态结构具有多种稳定形变状态，通过外界能量输入，可从一种稳态快速切换到另一种，且无需持续能量维持变形后的状态。尽管多稳态结构能实现较大的形状变化，但其单一稳态下的承载能力较弱，这是需要优化的方向。
折剪纸结构包括折纸和剪纸两类变形结构，利用折痕或裁切形状控制变形方式。折纸结构依靠折痕旋转协调纸片运动，如Miura折纸和水弹折纸，而剪纸结构通过裁剪和连接点旋转产生变形。然而这类结构对材料特性要求较高，限制了其应用范围。
利用智能材料在外界激励下的特定响应，可通过非均匀分布的应变调控结构变形。常见方法包括层合不同材料，以不同热膨胀系数引发弯曲变形，或局部施加刺激控制变形等。例如，热驱动剪纸结构、光敏液晶材料折叠、磁场操控折纸结构等，均可实现精确变形。
仿生可变形超材料从自然界生物的变形机理中汲取灵感。例如，蠼螋翅膀的折叠-展开机制启发了折纸-弹簧模型，实现双稳态自锁与快速折叠；鸟类羽毛的羽小枝结构启发了基于滑槽的可变形超材料，可通过微观滑动调整材料的透气性，等等。
文章接下来介绍了可变形超材料的一些典型应用。首先是在可变体飞行器中的应用：基于点阵结构的机翼可通过弹性变形优化升阻比并增强抗失速能力；双稳态超材料、压力自适应蜂窝等技术支持翼型和后缘变形，使机翼具备灵活调整气动性能的能力；零泊松比蜂窝和柔性蒙皮则用于可变翼长设计，提高升力与适应性。
图2 (a)离散组装双稳态可变厚度机翼;(b)可变后缘机翼;(c)零泊松比蜂窝用于可变弦长机翼蒙皮;(d) 由多稳态蜂窝构成的可变展长机翼
利用可变形微结构实现车轮变形，可以提升陆面载具在不同环境下的适应性。米其林为NASA的月球探测器开发了一款非充气柔性车轮，采用蜂窝状微结构，提供了良好的缓冲和刚度。折纸结构也广泛用于变径车轮设计，使车辆无需额外转向系统即可灵活调节直径，以适应崎岖地形或狭窄空间。
可展开结构能节省载运空间，在航天、救援和建筑等领域应用广泛。研究人员开发了双稳态折纸结构，可用于充气桥梁和避难屋，并设计了折纸式太阳能电池板，提高空间利用率。针对折纸结构的厚度限制，研究人员提出铰链移位等方法，使刚性板材也可折叠应用，可用于临时建筑和桥梁。
可在线调控性能的超材料，在制备后仍能通过变形调整性能，可用于汽车防撞梁调节刚性、轮胎调节软硬度等。超材料还能通过结构变形调控弹性波传播，实现减震和声波过滤调控。研究人员探索了电磁、温度、磁场等外部刺激对超材料性能的动态调节，以推动其在工程中的应用。
文章最后总结了可变形超材料投入实际工程应用仍需解决的问题：(1)兼顾承载与变形能力，以适应实际载荷环境；(2) 结构与驱动方式需高效整合，实现自驱、多路径、低能耗变形；(3) 提高极端环境耐受性；(4) 优化制造工艺，控制成本和提升生产效率。
作者简介
殷莎
北京航空航天大学航空学院教授、博士生导师，国家级青年人才，主要从事轻量化多功能结构化复合材料、低空新能源飞行器结构动力一体化安全设计。
Wang H T, Wang C Y, Chen Z, Yin S. Development and applications of morphing metamaterial technology: A review (in Chinese). Sci Sin-Phys Mech Astron, 2025, 55: 234601, doi: 10.1360/SSPMA-2024-0249