中国科大实现仿生非对称设计下的磁控可编程力-热防护

极端服役环境下，户外装备往往同时面临力冲击、热辐射等多重载荷。传统防护材料通常针对单一环境因素进行设计，抗冲击与热管理功能相对独立，且材料力学性能与结构形态较为固定，难以根据外部环境变化实现主动调节。因此，如何在同一材料体系中实现力响应与热调控协同，并进一步赋予材料可编程环境适应能力，是智能防护材料领域亟待解决的重要科学问题。

针对这一问题，中国科学技术大学龚兴龙教授团队受海洋生物多尺度防护机制启发，提出了一种仿生非对称材料设计策略，将应变率响应、磁场调控与非对称热管理集成于同一材料体系，实现复杂力-热环境下的可编程防护。相关研究成果以“Magnetically guided programmable thermo-mechanical protection enabled by biomimetic asymmetric design”为题，发表在美国科学院院刊Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America（PNAS）。论文第一作者为中国科学技术大学工程科学学院近代力学系博士生李子木和硕士生黄剑锋，通讯作者为龚兴龙教授和王胜副教授，吴建鹏博士、刘帅博士、胡志豪、梅桂林参与了相关研究工作。

天然珍珠层优异的抗冲击性能来源于硬质片层与柔性界面之间的多尺度协同，而棘皮动物则可通过内部动态网络重构实现组织刚度的快速调节。受此启发，研究团队利用弹性网络约束剪切变硬材料，在抑制材料蠕变的同时保留其应变率响应特性，并引入磁性颗粒构建磁偶极网络。在此基础上，通过表面自组装进一步构筑仿珍珠层结构，形成具有力学与热学功能分区的非对称材料体系。

在冲击载荷作用下，硬质片层可承担并扩散局部载荷，柔性界面则通过层间滑移、裂纹偏转与桥联等机制缓解应力集中并耗散冲击能量。与此同时，动态聚合物网络对应变率高度敏感。随着加载速率提高，分子链运动与动态键重构受到限制，使材料由柔顺状态向高刚度响应转变，从而产生显著的冲击硬化效应。外部磁场进一步增强磁偶极相互作用，为材料提供主动调控通道，实现应变率诱导的被动硬化与磁场驱动的主动力学调控协同。此外，非对称表面具有差异化的光学与热响应，可通过辐射反射、吸收及光热转换调节热量传递，从而实现力学防护与热管理的协同。

在材料多场响应基础上，研究团队进一步构建了磁控穹顶防护结构，将构型重构、冲击耗能与热管理集成于同一体系。施加外部磁场后，预设磁化区域在磁力矩驱动下发生定向变形，使结构由平面状态可逆隆起并形成穹顶构型。相较于平面结构，穹顶几何能够通过面外变形与载荷重分配降低局部应力集中，并与材料自身的黏弹耗能、冲击硬化及磁相互作用共同构建多层级能量耗散机制。同时，通过调节非对称功能表面的朝向及穹顶构型，可进一步改变辐射热传递路径，实现不同服役条件下冲击缓冲与热调控功能的可编程切换。

图1 仿生非对称设计实现磁控可编程力-热防护

总体而言，本研究面向复杂环境下机械冲击与热载荷协同作用的防护需求，提出了仿生非对称结构-材料协同设计策略，构建了涵盖动态聚合物网络、仿生界面与宏观可变构型的多尺度防护机制。相关研究为突破传统防护材料力学性能固定、功能单一以及力学防护与热管理相互割裂等局限提供了新的研究思路，也为极端环境下智能自适应防护材料与装备的材料-结构一体化设计提供了新的力学设计范式。

原文链接：Zimu Li†, Jianfeng Huang†, Sheng Wang*, Jianpeng Wu, Shuai Liu, Zhihao Hu, Guilin Mei, Xinglong Gong*. Magnetically guided programmable thermo-mechanical protection enabled by biomimetic asymmetric design.Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America2026,123:e2615691123.

https://doi.org/10.1073/pnas.2615691123

（工程科学学院、科研部）