【浦项科技大学｜Advanced Functional Materials】基于解耦生成模型的三维手性力学超材料静态与动态行为研究

文章信息

题目：

Investigating Static and Dynamic Behaviors in 3D Chiral Mechanical Metamaterials by Disentangled Generative Models

作者：

Jeonghoon Park, Jaebum Noh, Jehyeon Shin, Grace X. Gu, Junsuk Rho*

单位：

浦项科技大学（POSTECH）机械工程系 / 人工智能研究生院 / 化学工程系 / 电气工程系；

美国加州大学伯克利分校 机械工程系

期刊：

Advanced Functional Materials，2025，35(2)

DOI：

https://doi.org/10.1002/adfm.202412901

一句话核心结论 / 创新亮点

该工作首次实现了同时可控“波动带隙（动态性能）+低应力集中（静态性能）”的三维手性力学超材料逆向设计，提出了一种基于 c-GAN 的按需生成范式，并通过实验验证了其可靠性。

研究背景与科学问题

力学超材料通过结构设计而非材料本身，实现自然材料难以具备的性能。其中，手性力学超材料因其非镜像对称结构，展现出负泊松比、纵向–扭转耦合、完全带隙等一系列非常规力学特性，在减振隔波、结构防护、机器人与工程结构中具有重要应用前景。

然而，该领域长期面临两个核心挑战：

三维设计复杂度极高

相比二维结构，三维手性超材料的几何参数空间巨大，传统解析模型和经验设计难以应对。

静态与动态性能难以兼顾

现有研究多聚焦于动态波动特性（如带隙），而对压缩/剪切下的应力集中与结构安全性关注不足，限制了工程应用。

关键科学问题在于：能否实现一种方法，在三维复杂结构中“按需”同时调控波动行为与应力分布？

技术原理与创新点

核心技术路线

作者提出了一种**“FNN + 条件生成对抗网络（c-GAN）”**的逆向设计框架：

前向神经网络（FNN）

用于学习几何参数 带隙频率 + 最大 von Mises 应力 的映射关系，作为高效代理模型（替代大量 FEM 计算）。

条件生成对抗网络（c-GAN）

在给定目标性能（带隙起止频率 + 最大应力阈值）的条件下，直接生成三维手性结构几何参数。

关键创新点

同时引入动态与静态约束

不仅控制完全带隙频率范围（波衰减）

还显式约束压缩与剪切工况下的最大应力

解耦式嵌入设计（Encoder）

通过 FNN 中提取的编码器，将原始几何参数映射到“可解释嵌入空间”

显著提升 c-GAN 训练稳定性，避免模式崩溃

高自由度流线型三维结构参数化

通过椭圆截面沿高度连续变化，构建高度可调的三维柱体

保留制造可行性（适配 3D 打印）

WGAN-GP + 多目标 L1 损失函数

同时优化结构真实性、带隙匹配精度与应力抑制能力

实验验证与性能表现

数值与实验流程

数值模拟：

COMSOL FEM

本征频率分析 带隙

静力学分析 压缩 / 剪切最大应力

实验验证：

FDM 3D 打印（PLA 材料）

波动传输实验（纵向–扭转 & 弯曲）

压缩 / 剪切力–位移测试

核心性能结果

带隙调控能力

逆向生成结构实现：

起始频率：426–1020 Hz

终止频率：704–1947 Hz

实验、FEM 与网络预测高度一致

应力显著降低

生成结构的最大应力：

相比原始数据集降低约 4 倍

明显缓解局部应力集中问题

多样化静态响应

结构在压缩下呈现：

非线性刚度

准零刚度

负刚度行为

展示了丰富的力学响应潜力

学术贡献（要点总结）

首次实现三维手性力学超材料“静态+动态”双重逆向设计

提出FNN–cGAN 协同的生成式设计新范式

实现低应力集中与完全带隙并存的三维结构

通过系统实验验证了 AI 逆向设计在力学超材料中的工程可行性

局限性与未来方向

当前局限：

最大应力预测精度仍低于带隙预测（应力高度非线性、敏感）

尚未将非线性刚度等复杂力学行为纳入逆向目标

未来发展方向：

将非线性刚度、吸能、韧性纳入多目标生成

拓展至声学、软体机器人、电-机耦合超材料

与拓扑优化、物理约束神经网络进一步融合

总结

本研究展示了一种面向工程应用的、可按需生成的三维手性力学超材料设计新范式。通过将深度生成模型与物理代理模型深度耦合，作者成功解决了长期存在的“性能冲突”问题，为力学超材料从概念设计迈向可制造、可应用提供了关键路径。

这不仅是一次方法论创新，也标志着 AI 驱动材料设计进入“功能协同优化”的新阶段。

图文赏析（示例）

Figure 1｜三维手性力学超材料与逆向设计流程示意图

a）设计中考虑的波衰减、应力分布与高设计自由度；

b）c-GAN 逆向设计流程：输入目标带隙与最大应力，输出几何参数；

c）六种逆向生成的三维结构示例（颜色表示距单元中心距离）。

Figure 4｜逆向设计结构的波衰减性能与实验验证

f）弯曲波激励下的传输谱；

g）纵向–扭转波激励下的传输谱；

红蓝色条表示带隙区间，灰色区域表示完全带隙。

Figure 5｜三维手性超材料的静态力学行为

a）压缩力–位移曲线；

c、f）实验与数值模拟对应的归一化应力场分布。