湖北
在人工非活性体系智能表面力学失稳调控方法取得新进展
Nonliving dehydrated leaves-inspired
surface anti-wrinkling
2025年7月4日，上海交通大学机械与动力工程学院致远荣誉计划博士生邓心陆作为第一作者，在综合类期刊Science Advances上发表了题为“Nonliving dehydrated leaves-inspired surface anti-wrinkling”的研究论文。为解决“非活性”人工表面的失稳调控难题，受“非活性”脱水叶子的启发，该研究提出了利用表面几何约束的力学失稳调控方法，为智能表面的失稳调控提供了理论支撑和方法框架。论文的通讯作者是胡开明副教授、张文明教授。
图1. 研究成果于2025年7月4日在Science Advances刊发
表面失稳结构广泛存在于自然界和人工表面，其丰富的形貌特征和复杂的力学行为吸引了广泛的研究，然而其定量、按需调控方法仍然是目前的研究难题之一。自然界“有生命”的动植物往往展现出高鲁棒性的、智能的表面失稳调控能力，然而对于“非活性”的人工易失稳表面，一种非生物化学驱动的、利用力学原理的表面失稳调控方法还有待开发。
该研究启发自同样“非活性”的脱水银杏叶中的区域化表面失稳现象，提出了综合利用有限宽度边界约束和曲率约束的力学失稳调控方法（图2）。建立了无量纲双修正参数基底刚度模型，揭示了该调控方法的力学机理，并提出了调控因子的显式设计准则公式。
图2. 启发自脱水银杏叶的人工智能表面力学失稳调控方法
该研究建立了无量纲双修正参数的基底刚度模型，提供了兼容多尺度、多种截面属性、多种边界约束的理论框架；采用了加权积分方法，实现了表面失稳特性的快速、精确评估。基于上述理论模型，该研究深刻分析了表面失稳的力学调控机理，揭示了有限宽度边界约束的调控机制，其根本上来源于边界处的基底刚度增强；厘清了初始曲率约束的调控机理，其根本上来源于几何约束下的额外面内变形。
图3. 表面失稳调控因子设计准则与多体系多尺度实验验证
该研究基于对有限宽度边界-初始曲率耦合力学调控机理的深刻分析，提出了表面失稳调控因子（抗皱宽度和抗皱曲率半径）的设计准则（图3）。该研究发现调控因子是参考波长的线性或二次函数，由此总结了双层体系中调控因子的显式设计准则公式，其正确性、准确性和普适性由四组不同体系、不同尺度的实验验证。该设计准则公式以截面属性相关的参考波长和调控需求相关的抗皱增强因子为自变量，依此，该研究实现了表面失稳调控因子的按需定制，为“力学驱动”、而非“生物化学驱动”的智能表面力学失稳设计提供了技术支撑。
博士生致远荣誉计划
邓心陆入选上海交通大学2021级致远荣誉计划博士生，攻读机械工程博士学位，师从张文明教授，目前在英国伯明翰大学刘明超教授课题组进行深造。
从入选致远荣誉计划的时候，邓心陆便树立了坚定目标，立志在学术领域做出自己的贡献。依托致远荣誉计划提供的课程资源，邓心陆得以迅速补充专业知识、提高专业素养；横跨多学科多领域的专业学术报告也让其能够拓宽学术视野、培养学术眼光。然而，科研之路也并不一帆风顺，在遇到坎坷时，导师张文明教授总能为其做出正确指引、鼓励其继续攻坚克难，与同门和其他老师的沟通也总能为其带来新的灵感和创造力。
在国内的培养过程中，邓心陆稳扎稳打，在经历了漫长的知识积累和无数的研究试错，他终于厚积薄发，突破了学科的关键问题，提出了表面失稳体系的力学调控方法，并以机理创新、方法创新、工艺创新为该学科添砖加瓦。邓心陆通过海外导师实验室联培，试图在屈曲力学理论层面实现进一步的创新，以形成理论-方法-应用的博士研究闭环。
排版 | 黄歆
责任编辑 | 郑雨涵
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