中国3D打印网3D打印超材料将大幅改善车辆、建筑等领域的隔振效果
2025年10月20日，来自密歇根大学 (UM) 的研究人员开发了一种新的隔振方法，可用于吸收车辆、建筑物和其他结构的冲击。研究团队与美国空军研究实验室 (AFRL)合作，展示了 3D 打印机械超材料（特性由几何形状而非成分决定）如何通过复杂的内部设计来阻挡振动。
这项研究以题为“Topological polarization of kagome tubes and
applications towardvibration
isolation”的论文发表在《物理评论应用》上。项目获得了美国国防部高级研究计划局（DARPA）、海军研究办公室和美国国家研究委员会研究助理计划的联邦资助。
这项研究将数十年的理论工作转化为切实的突破。美国空军研究实验室（AFRL）的研究员、前密歇根大学博士后研究员詹姆斯·麦金纳尼（James
McInerney）说道：“这才是真正的创新之处。我们意识到：我们真的可以制造这些东西。我们乐观地认为，这些技术可以应用于实际用途。在这个例子中，它就是隔振。”
共同作者包括密歇根大学机械工程学教授塞里费·托尔 (Serife
Tol)、德克萨斯大学奥斯曼·奥德吉里-伊德里西 (Othman Oudghiri-Idrissi) 以及美国空军研究实验室 (AFRL)
的研究人员卡森·威利(Carson Willey) 和阿比盖尔·朱尔(Abigail
Juhl)。密歇根大学物理学家毛晓明说道：“几个世纪以来，人类通过改变材料的化学性质来改进材料。我们的工作建立在超材料领域，在这个领域，几何形状——而非化学性质——赋予了材料非凡而实用的特性。这些几何原理可以应用于从纳米尺度到宏观尺度的各种尺度，赋予材料非凡的稳健性。”
△隔振结构可以被认为是由重复的晶格（a）构成，然后将其堆叠成两层（b），并包裹在管中（c）。图片来源：JP McInerney 等人。
这项研究融合了经典结构工程、现代物理学和先进的3D打印技术。团队利用几何调整设计，打印出了“kagome管”（一种受日本篮筐编织启发的复杂卷曲晶格结构），能够有效抑制沿其长度方向传播的振动。这种精确的几何形状使尼龙或金属等普通材料展现出全新的机械性能。
这种几何策略与大自然自身的解决方案相呼应，例如骨骼或浮游生物壳的结构，它们通过结构实现强度和弹性。麦金纳尼说：“我们的想法不是要取代钢铁和塑料，而是要更有效地利用它们。”
这项工作借鉴了历史思想，包括詹姆斯·克拉克·麦克斯韦19世纪对稳定晶格的研究，以及拓扑物理学的现代发现，这些发现描述了材料边界上异常行为的产生。基于这些原理，他们创造了物理超材料，展示了能够抑制振动的“拓扑相”。
麦金纳尼指出，尽管目前的原型设计凸显了一些弊端——更好的隔振性能会降低承载能力——但这些发现为测试和设计开辟了新的方向。他说：“由于我们观察到了这些新的行为，我们不仅仍在探索模型，还在探索测试方法……之后才能开始解答关于应用的问题。”
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