机械超材料是具有特定元素/晶胞排列的人造材料，可实现新颖的特性，例如零或负泊松比、消失剪切模量和高比能量吸收(SEA)。SEA是抗冲击超材料设计最重要的特性，与材料有关。硬质材料通常比软质材料具有更高的 SEA值。SEA很大程度上取决于相同材料的结构配置，例如基于支柱和基于板的超材料。先前的研究表明，基于支柱的八位体桁架超材料具有比体心立方超材料更高的SEA。
具有高SEA的新型超材料可以源自自然生物。例如在骨骼和蝴蝶翅膀中观察到的三周期最小表面（TPMS）显示出优异的SEA特性，而竹子的中空结构承受横向力并避免断裂。原则上，从自然结构中学习的仿生超材料可以改善高比能量吸收特性；受竹子中空结构启发的八面体桁架呈现出优异的SEA，超越了基于支柱的面心立方和八面体超材料；具有高机械性能和SEA的蜂窝结构已广泛应用于航空航天领域。这些发现表明仿生超材料可用于改善SEA。
BPM的形态演变：（a）自然界中的柚子表面和柚子皮；(b) 柚皮的显微结构[ 8 , 15 ]；(c) 受柚子皮启发设计的BPM单元；(d) 支柱的相对密度-直径关系；(e) 设计的UBPM模型；(f) 设计的 GBPM 模型。
柚子皮是一种厚度为3-20毫米的泡沫状结构，由细长且相互连接的八臂细胞组成，具有较大的细胞间隙。整个柚子的自由落体试验表明，由于柚皮的保护，柚子可以承受70J的冲击力。因此，重构和优化柚子皮有望实现较高的SEA。受柚子皮启发，有研究人员提出了一种分层蜂窝结构，与传统蜂窝相比，其SEA和等效平台应力分别提高了1.5倍和2倍。然而，分层蜂窝表现出极大的各向异性，无法承受另一个方向的外力。另有研究人员探索了板晶格柚皮状多面体超材料的高应变率压缩行为，该行为表现出增强的 SEA。然而，板晶格超材料存在于封闭腔附近，这导致制造困难。
功能梯度（FG）超材料通常用于改善沿相对密度增加的方向逐层断裂的SEA，同时承受单轴压缩。连续相对密度表现出延迟的初始致密化应变。例如，功能梯度基元和陀螺仪的初始致密化应变比均结构高19.18％和18.5％。但也观察到仿生梯度竹结构的能量吸收比传统蜂窝结构高四倍。尽管基于支柱的仿生柚皮多面体超材料具有高散热、抗冲击和可制造性，但它们的局限性能量吸收能力限制了它们的应用。
3D打印技术参考注意到，华中科技大学史玉升教授团队将分级设计引入基于仿生柚皮多面体超材料中，以改进高比能量吸收能力并扩展其应用，并研究了材料对功能梯度设计的SEA定律的影响。
https://doi.org/10.1016/j.cjmeam.2023.100068
研究人员受柚子皮保护果肉的抗冲击性和功能梯度结构可提高SEA能力的启发，采用软材料（光敏树脂）和硬材料（Ti-6Al-4V）进行3D打印，制备了梯度仿生多面体超材料（GBPM），其SEA超过了前期报道中大多数软材料和硬质材料制造的超材料SEA。
图1 SEA Ashby图与各种现有超材料的对比
•提供了一种实现卓越能量吸收的仿生策略。
•验证了材料对机械响应和比能量吸收的影响。
•仿生梯度多面体的比能吸收超过了以前的大多数超材料。
激光选区熔化Ti-6Al-4V粉末及数字光处理光敏树脂制造仿生多面体超材料，扫面电镜观察仿生多面体形貌，准静态压缩仿生多面体超材料，Abaqus动力学显式仿真准静态压缩过程。
在压缩试验和数值模拟的指导下，SEA能力的提高与材料无关。在应力-应变曲线中，波动区出现在硬材料制造的仿生多面体超材料（BPMs）中，而在软材料制造的BPMs中不存在，导致软材料制造GBPM的SEA值的增长率比硬材料制造GBPM提高了5.9倍。软材料和硬材料制造的GBPM的SEA值分别为1.89 J/g和44.16 J/g，超过了先前研究中报道的大多数软材料和硬质材料制造的超材料的SEA。
UBPM和GBPM的压缩结果、力学性能和SEA：(a)软材料制造的UBPM和GBPM的应力-应变曲线；(b) 硬质材料制造的UBPM和GBPM的应力-应变曲线；（c，d）软材料制造的UBPM（c）和GBPM（d）的压缩结果；(e, f) 硬质材料制造的UBPM (e) 和GBPM 在℃ = 0.1 (f) 时的压缩结果；(g) 通过压缩试验和功率拟合获得的软材料制造的UBPM和GBPM的SEA应变曲线；(h) 从压缩测试和功率拟合中获得的硬质材料制造的 UBPM 和 GBPM 的 SEA 应变曲线。
FEM 中的 von-Mises 应力分布：(a) UBPM；(b) GBPM
1. 分级设计降低了力学性能，将45°剪切断裂转化为逐层破坏。与硬材料制造的BPMs相比，软材料制造的BPM表现出延迟的致密化应变。
2. 提高SEA的梯度设计与所用材料无关。与UBPM相比，GBPM可以实现增强的SEA。在软材料制造的BPMs的断裂阶段没有出现波动区，与硬材料相比，软材料制造GBPM的SEA值的增长率提高了5.9倍。
仿生梯度设计可提高超材料的能量吸收效果，本文的仿柚子皮梯度超材料的SEA超过了先前研究中报道的大多数软材料和硬质材料制造的超材料的SEA。以上发现可以指导具有高能量吸收以抵抗外部冲击的超材料的设计。
