【儀表網 研發快訊】近日，北京理工大學先進結構技術研究院董浩文副教授聯合天津大學汪越勝教授、美國羅文大學沈宸助理教授、香港理工大學成利院士、美國杜克大學Steven A. Cummer教授等多位波動力學、聲學超材料專家，在國際著名期刊《Materials Today》(影響因子：24.537)上發表了題為“Inverse design of phononic meta-structured materials”的前沿綜述文章，系統回顧了聲子超構材料逆向設計領域的研究進展，全面梳理了聲子超構材料(圖1)的基本概念、內涵、逆向設計方法論、逆向設計的聲子超構材料與定制化波動功能、以及定制化聲子超構材料的典型應用等，并對聲子超構材料逆向設計的未來研究進行了展望。
 

圖1：聲子超構材料及其潛在應用
 

　　在過去的三十年中，作為一種具有精細微結構和序構的人工功能復合材料，聲子超構材料(Phononic meta-structured materials, PMSMs)吸引了廣泛的關注，從頻散工程，到波前調控，甚至整個波場的任意構建等大量復雜波動現象與功能方面均展現出了驚人的彈性波或聲波操縱能力。聲子超構材料的核心問題之一就是如何合理地設計不同尺度/層級的結構以實現需求的結構-波相互作用。傳統的聲子超構材料設計主要依賴直覺或經驗，但往往面臨設計空間不足、波動特性或功能有限、缺乏系統性等問題。為了突破傳統設計的局限，研究人員通過結合結構拓撲優化、代理模型、模糊理論、機器學習等方法逆向設計了基元微結構和微結構序構，從而實現了需求的極端物理性質、新奇物理現象與功能，將該領域推向了一個新的高度。
 

圖2：聲子超構材料逆向設計方法概圖
 

　　如圖2所示，文章從逆向設計所用的基本波動參量(頻散關系、散射表征參量、動態等效參數)出發，系統地介紹了基于拓撲優化、機器學習的逆向設計方法。其中，拓撲優化方法又包含了基于全波響應、本征物理參量、混合局部-全局響應的優化等三個方面。針對基于機器學習的逆向設計，又從數據驅動和物理信息兩個角度進行了詳細闡述。最后，也介紹了若干典型的半經驗式優化策略。針對逆向設計的聲子晶體與聲子拓撲絕緣體，文章從帶隙工程、濾波和聚焦、拓撲波動傳輸三個方面，詳細地介紹了逆向設計的聲子晶體、聲光子晶體、聲子晶體器件、彈性波拓撲絕緣體、聲波拓撲絕緣體等。針對逆向設計的聲子超材料，文章從負等效性質、低損耗隱身、低頻抑振/聲、極端模式驅動的波傳播四個方面詳細介紹了如何逆向設計各類聲子超材料，以及相關領域取得了哪些波動特性/功能的突破和新機制的發現。針對逆向設計的聲子超表面，文章從異常反射與吸收、透射波束與聲輻射力、多功能散射三個方面進行了詳細介紹。在對各類聲子超構材料逆向設計(圖3)系統總結的基礎上，文章進一步回顧了幾類定制化的聲子超構材料，結合具體的逆向設計策略，專門介紹了基于非線性濾波效應的結構健康監測、基于超寬帶阻抗調制的低頻寬帶低回聲吸音器、基于彈性超材料的振動能量俘獲裝置、以及基于聲學超表面的全息超聲微粒組裝等代表性應用(圖4)。
 

圖3：各色各樣逆向設計的聲子超構材料
 

圖4：定制化聲子超構材料的代表性應用
 

　　在結論與展望部分，文章進一步梳理出若干機遇、待解決的問題與新的發展趨勢。具體而言，需聚焦研究有效的高階動態均勻化、大規模波動逆向設計、多尺度逆向設計、4D逆向設計與端到端逆向設計等方法；需關注多功能聲子超構材料、可重構聲子超構材料、時變聲子超構材料、智能聲子超構材料、非厄米聲子超構材料等新方向；需解決多物理建模、多學科優化、新拓撲的物理原理、高可制造性等共性難題；需結合仿生學原理、極端功能/環境開展逆向設計研究。最后，提出了聲子結構基因工程(Phononic structures genome engineering)的概念，介紹了其內涵，并展望了可能催生的新應用。
 

　　北京理工大學為該工作的第一完成單位，北京理工大學先進結構技術研究院的董浩文副教授(一作)、天津大學汪越勝教授、美國羅文大學沈宸助理教授為本文的共同通訊作者。香港理工大學成利院士、美國杜克大學Steven A. Cummer教授提供了重要指導，香港理工大學劉澤博士、清華大學劉陳續博士、青島大學趙勝東副教授、北京理工大學任志文博士、賀旭東博士生也參與了此項工作。該工作得到了國家自然科學基金原創探索計劃項目、面上項目、創新研究群體項目、北京理工大學“青年教師學術啟動計劃”等項目的資助。
 

　　附作者簡介：