当前，机械超材料在轻量化、高强韧、能量吸收等领域展现出巨大潜力，但在复杂载荷、多场耦合及动态响应调控方面仍面临挑战。特别是如何实现结构在受力后的可恢复性、能量吸收与振动隔离的多功能协同，已成为智能超材料设计的核心难题。传统经验设计方法难以准确预测复杂结构在多变环境下的力学行为，制约了其在高性能工程结构中的应用。因此，开发兼具轻量化、高适应性、可重复使用且性能可调的智能机械超材料，成为当前工程结构领域的重要研究方向。
针对上述问题，华北电力大学、北京理工大学研究团队在Composite Structures期刊发表了相关研究成果。该研究通过模仿葡萄藤卷须的螺旋结构，结合4D打印与机器学习技术，成功设计并制备出一种具备可编程形变、优异能量吸收和宽频可调振动隔离性能的智能超材料，为航空航天、精密仪器等领域对轻量化减振与防护一体化的需求提供了创新的解决方案。论文标题为“4D-printed grapevine-inspired intelligent metamaterials with adjustable mechanical behaviors”。
受自然界中葡萄卷须的螺旋形态启发，该研究提出了一种仿生葡萄藤卷须的智能晶格结构。研究采用多层感知器机器学习模型，建立了从关键设计参数（如扭转角θ、杆径、温度）到结构刚度响应的快速预测映射，以替代耗时的传统有限元参数化分析。基于此预测，通过4D打印技术，利用形状记忆聚合物制备了具备可编程形变能力的仿生葡萄藤晶格结构（Bionic Grapevine-inspired Lattice Structure；BGLS）。其核心方法在于将生物螺旋几何抽象为可调的二三维晶格单元，并通过数字光处理技术实现精密制造，从而同步赋予结构可调的力学性能与振动隔离能力。
图1 BGLS的设计与制备。
图2 MLP模型性能表征。
图3 实验设备。(a) 温度调控下的准静态压缩；(b) 隔振特性测试。
BGLS展现出卓越的综合性能。在力学方面，其具有优异的可重复使用性和能量吸收能力，在室温下50次循环压缩后仍保持76%的初始承载能力，比能量吸收值高达约1.7 J/g，优于许多同类晶格结构。在振动隔离方面，该结构表现出显著的带隙特性和宽频衰减性能，特别是在施加15%的形状编程后，BGLS-v3构型能在0-1000 Hz全频段实现有效隔振，最小振动载荷下降值达到-43dB，隔振性能领先于常见的蜂窝、Face-Centered Cubic（FCC）等对比结构。这些结果通过系统的实验与有限元仿真得到了验证。
图4 三种 Shape Memory Polymer（SMP）超材料力学性能对比。
图5 三种SMP超材料能量吸收性能。
图6 三种超材料隔振性能对比。
该仿生智能超材料在锂电池防撞保护、航空航天精密仪器隔振、船舶与新能源车辆结构减振等领域具有广阔应用前景。其设计方法融合了仿生学、4D打印与机器学习，为轻量化、可调控的多功能超材料提供了新的设计策略与技术路径。未来工作将进一步缩小结构尺度，研究其在小尺寸条件下的抗冲击与隔振性能，推动其在微机电系统与精密装备中的应用。
原始文献：
Zhang, X., Liu, G., Chu, Y., Rao, L., Gao, H., Yang, X., Shen, Q., Zhao, Y., & Tao, R. (2026). 4D-printed grapevine-inspired intelligent metamaterials with adjustable mechanical behaviors. *Composite Structures*, 379, 119953.
原文链接：
https:///10.1016/j.compstruct.2025.119953
编辑：复小七
校对：复小可
审核：君莫