机械超材料是具有机械性能的结构材料。目前关于机械超材料的研究主要集中在被动机械超材料及其机械性能的可调性上。多功能性、传感、电动、信息处理以及数据驱动设计的深度整合是机械超材料领域的重大挑战，可能会导致真正智能的机械超材料的出现。自然通讯(Nature Communications)发表了一篇《机械超材料及其未来发展》（Mechanical Metamaterials and Beyond）概述了机械超材料的经典机械功能及其扩展，并讨论了多功能机械超材料的逆向设计和优化的数据驱动方法。为设计和发现下一代能够与周围环境互动并适应各种条件的主动和响应性机械超材料提供了路线图，同时保留经典机械超材料的所有优良机械特性。
机械超材料通过合理设计其微结构可以实现独特且新颖的机械性能。通过材料与结构之间的相互作用获得可编程行为，使机械超材料能够将先进的功能整合到其结构中，超越其机械性能。例如，机械超材料具有传感、能量收集、驱动、适应、计算和信息处理等功能。机械超材料已显示出作为多功能智能材料构建块的潜力。
数据驱动的设计与优化
在多功能机械超材料的逆向设计和优化方面，数据驱动方法正在发挥关键作用。从机制分析到性能优化，数据驱动方法帮助研究人员探索机械超材料的设计空间。这种方法使得在设计阶段就能够预见材料的表现，从而更高效地实现预期功能。
未来机械超材料设备
下一代机械超材料正在向集成系统方向发展，更多研究致力于进一步优化其功能并扩展其应用领域。未来的研究方向包括以下三个方面：
功能材料整合：利用电机械、热机械、磁机械或光机械材料，实现机械超材料的可调、自适应响应。
数据驱动设计：利用人工智能和机器学习优化设计，提升性能。
集成设备：将机械超材料作为可控功能和性能的组件集成到设备中。
超越机械性能
机械超材料的扩展不仅限于其他类型的超材料。多功能应用（如传感、能量收集和通信）通常需要结合不同类型的超材料来提供技术解决方案。将不同类型的超材料组件集成到一个系统中，以实现单一类型超材料无法实现的功能，可能成为超材料家族的新兴方向。
面临的挑战
尽管最近的许多研究展示了具有超越机械功能的机械超材料的潜力，但在理论和技术上仍面临挑战。功能材料的整合显著增加了制造机械超材料的难度，特别是多尺度制造的可靠性和可行性。增强人工智能的机械超材料仍处于早期阶段，主要强调机械性能。因此，扩展人工智能应用以提升机械领域以外的特性，将为机械超材料的发展开辟光明的前景。深度整合对于充分实现机械超材料设备的高效功能至关重要，但这依赖于超材料组件之间的合作。
尽管面临挑战，机械超材料的未来发展方向在多功能性、数据驱动设计以及集成设备方面展现出巨大的潜力。
Work Consulted:
[1] Jiao, P., Mueller, J., Raney, J.R. et al. Mechanical metamaterials and beyond. Nat Commun 14, 6004 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-41679-8
