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西北工业大学张卫红院士团队的研究人员利用设计的仿生双曲面点阵结构材料，在承载-吸收能量方面取得新突破。其中南京航空航天大学顾冬冬教授团队、郑州大学侯玉亮、法国贡比涅技术大学等研究人员参与其中。相关研究成果在《Extreme Mechanics Letters》期刊发表，西北工业大学的张卫红院士和高彤教授是该论文的通讯作者。
仿生学是一门新兴的学科，主要用于研究自然的最佳想法，并模仿潜在模型或系统来解决复杂的人类问题。在轻量化设计中，例如晶格结构，由于其高比强度、高刚度和冲击吸收能力等，已经进行了广泛的研究。传统晶格结构通常基于晶体材料中原子或分子的有序排列。随着创新性的晶格结构不断出现，材料的性能已经产生了极大的提升。例如，在节点上连接的周期性空心管阵列，是一种超轻结构，在>50%压缩中具有优异的回收率，同时在循环加载时表现出较大的能量吸收能力。与轻量化晶格结构的设计并行，超材料也是人们感兴趣的另一个焦点，特别是在物理、光学、生物学和医学等领域。在这些设计中，双曲特征以一种或另一种形式呈现。
为探索点阵结构在承载和吸收能量方面的作用，这项工作主要研究了一系列具有双曲特征的点阵结构的设计，提出了元胞镶嵌方案。通过有限元分析表明，所设计的双曲晶格结构具有可调的力学性能。通过对3D打印树脂试件的实验验证，在单向压缩条件下，双曲晶格结构的材料承载能力明显优于常规BCC点阵结构材料。对于手性双曲晶格，由于对角支板的大旋转，可以观察到明显的阻尼效应和吸能性能的改善。
通过观察鞘翅内部小梁的显微结构，通过仿生轻量化结构设计制备出样品，灵感来源于斯图加特大学计算设计与施工研究所和建筑结构与结构设计研究所的一个研究馆（ICD/ITKE，根据纤维系统的生物学原理），基于不同多边形和支撑连接，通过双曲晶格的理性设计，制备不同双曲晶格拓扑结构。规则镶嵌是由全等的规则多边形构成的边对边镶嵌，在顶点分别采用六个等边三角形、四个正方形和三个正六边形的三种镶嵌。由36、44和63表示，其中上标是指共享一个公共顶点的正多边形的数量，而底表示它们正侧边的数量。均匀镶嵌是由它的顶点结构来识别，一系列数字表示多边形的边共享同一个顶点。总共存在八个均匀镶嵌，图2b包括其中的三个代表，每个代表两种类型的多边形。全等构型的顶点用红点标出，类似于规则镶嵌的命名法，这三种均匀镶嵌分别表示为(3.6)2，(4.8)2和(3.12)2。
在不同晶格结构的平板上进行跌落冲击实验表明由双层双曲线单元组成的板具有突出的缓冲效果，峰值力大约是由BCC结构组成的力的三分之一。并且峰值力的到来被推迟了三倍以上。根据力-位移曲线的直接积分，5J冲击能量中的2.62J被基于BCC单元的缓冲板吸收，3.09J和3.33J分别被双曲线单元的63和(3.6)2平铺之后的板吸收。当冲击能量增加到10J时，能量吸收能力从BCC板的78.6%提高到在63和(3.6)2之后由双曲手性单胞图案化的板的84.1%和92.6%。
仿生轻量化结构设计： (a) 通过鞘翅内部小梁的显微部分； (b) 设计灵感来源于斯图加特大学计算设计与施工研究所和建筑结构与结构设计研究所的一个研究馆（ ICD/ITKE ，根据纤维系统的生物学原理）； (c) 双曲晶格的理性设计； (d) – (e) 不同双曲晶格拓扑示意图，基于不同多边形和支撑连接； (f) 手性双曲单胞的单元格，晶格常数 a ，高度 h ， Rf 和 Rl 表示框架和横向支柱的直径
基于欧几里得平面平铺理论的双曲单胞镶嵌： (a) 所有三种常规平铺策略的示意图与单一类型多边形； (b) 两种多边形的代表性规则平铺策略示意图 ； (c-d) 基于六边形晶格的 6 3 规则 平铺方案生成的平板顶部和侧面视图； (e-f) 基于六边形晶格的 3.6 2 规则 平铺方案生成的平板的顶部和侧视图
图3（a）规则63平铺和（b）规则3.62平铺策略，由六边形单元堆叠的双曲点阵材料的杨氏模量表面的代表性周期单位和空间分布
手性双曲晶格结构填充板的能量吸收特性的实验验证：(a)压缩试验力学数据；(b)双曲晶格结构压缩试验的静力框架，依次显示加载时的梁屈曲和梁接触，卸载时的结构恢复，(c)缓冲板示意图，(d)跌落冲击试验的力-时间和力-位移曲线，表明具有六边形双曲单元格的晶格结构具有明显的缓冲作用
手性双 曲晶格结构填充板的 能量吸收特性的实验验证： (a)压缩试验力学数据； (b)双曲晶格结构压缩试验的静力框架，依次显示加载时的梁屈曲和梁接触，卸载时的结构恢复，(c)缓冲板示意图，(d)跌落冲击试验的力-时间和力-位移曲线，表明具有六边形双曲单元格的晶格结构具有明显的缓冲作用
总之，这项工作中报告了一种系统的方法来设计双曲胞状材料。欧几里得平面平铺技术类似于单胞的镶嵌，全面增加了晶格设计的多样性。数值验证表明，与已有的BCC和3D截半六边形镶嵌相比，双曲单元具有较好的力学可调性，在单向压缩条件下具有较好的承载能力。双曲手性单元的扭曲效应会引起晶格结构在压缩条件下发生较大的旋转变形，有利于缓冲板或能量吸收器件的设计。
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