极端力学(extreme mechanics)的前沿研究
文一：
国产口罩面料抗新冠肺炎飞沫传播的性能：定量机理研究
摘要：
2019冠状病毒病（新冠肺炎）可能通过感染者在咳嗽、打喷嚏或说话时释放的呼吸道飞沫传播。鉴于专业呼吸器和口罩的供应有限，美国疾病控制与预防中心（CDC）建议公众使用自制布口罩。虽然已经对家用织物的气溶胶过滤性能进行了几项研究，但尚未对其阻挡较大液滴的有效性进行研究。在这里，我们以商用医用口罩为基准，确定了11种常见家用织物在阻挡大的高速液滴方面的性能。我们还评估了织物的透气性（透气性）、质地、纤维成分和吸水性能。我们发现，大多数织物具有显著的阻塞效率（中值>70%）。特别是，两层高渗透性织物，如T恤布，阻挡飞沫的效率（>94%）与医用口罩相似，同时透气性大约是医用口罩的两倍。第一层允许约17%的液滴体积透过，但它显著降低了液滴的速度。这允许第二层捕获透射的液滴，从而产生高的阻断效果。总的来说，我们的研究表明，布质口罩，尤其是多层口罩，可能有助于减少呼吸道感染的飞沫传播。此外，由棉布等材料制成的口罩可以清洗和重复使用，并有助于减少广泛使用商用一次性和不可生物降解口罩对环境的不利影响。
图：气溶胶过滤和织物阻挡大液滴的区别
图：本研究中使用的样本。
图：液滴挑战测试。
文二：
身体智能作为一种新的范式
摘要：
物理代理的智能，如人造（如机器人、自动驾驶汽车）和生物（如动物、植物）代理，不仅由其大脑中的计算智能（CI）实现，还由其体内编码的物理智能（PI）实现。因此，除了人工智能外，还必须尽可能提高人工智能的PI，以便在非结构化和复杂的现实世界环境中操作它们，如生物智能。本文介绍了什么是PI范式，何时PI在不同长度尺度的物理和生物制剂中更重要和更占主导地位，以及如何在制剂体内创建生物启发和抽象的PI方法。PI范式旨在协同和融合许多研究领域，如力学、材料科学、机器人学、机械设计、流体学、活性物质、生物学、自组装和集体系统，以在人造代理体中实现先进的PI能力，与在生物有机体中观察到的能力相当。这样的能力将使未来的机器人和其他机器超越使用当前框架所能实现的。
图：物理智能（PI）组件和使能器在与其环境交互的物理代理体上。这种身体PI也与大脑中的计算智能（CI）耦合，其中具体智能（EI）场研究身体和大脑之间的紧密耦合。
图：主要使用物理智能的自主人机示例
文三：
基于机器学习的多稳态结构和超材料弯曲梁的设计和优化
摘要：
弯曲光束由于其双稳态特性，在微机电系统（MEMS）器件和能量吸收材料中得到了广泛的应用。在以前的研究中，几乎所有的曲梁都具有恒定的厚度。尽管通过改变厚度分布可以获得更好的性能，例如强度均匀的梁，但缺乏设计和优化工具限制了不同厚度弯曲梁的开发和应用。在本文中，我们展示了一种基于机器学习的曲梁设计和优化新方法，该方法由于能够处理大数据，也可用于结构设计和优化，在许多领域都取得了成功。这种基于机器学习的模型能够实现对非线性结构-性能关系的准确预测。有效而精确地获得了具有不同优化目标的优化设计，如刚度、前弹动力和后弹动力。对使用高分辨率多材料3D打印机制造的具有优化轮廓的试样进行了实验测试。实验结果验证了计算结果的正确性。本文开发的基于机器学习的优化方法可以为基于梁的结构和机械超材料的设计和优化提供一种很有前途的工具。
图：曲梁原理图及典型荷载-位移曲线。
图：基于 ML 的曲梁厚度分布优化四步工作流
图：经过训练验证的ML模型和优化结果
文四：
竹皮抗折性能的多尺度理解
摘要：
竹子以其高强度、轻量化和低成本而被广泛应用于建筑中。由于宏观纤维分裂，它通常从皮肤上失效。以前的研究主要集中在结构尺度上的竹子强度，而没有深入了解它的化学成分和表皮的微观结构，以及它们与断裂的关系。在这项研究中，我们将多尺度计算建模与实验方法相结合，来表征竹皮中二氧化硅颗粒的分布，并研究它们对断裂的影响。我们使用显微镜来表征竹皮的化学和微观特征，并注意到二氧化硅颗粒通常分布在竹皮中，它们的成对距离遵循正态分布。我们使用分子动力学模拟和有限元分析来研究二氧化硅颗粒及其独特分布对竹皮断裂的影响。值得注意的是，二氧化硅与纤维素纤维形成了完美的结合界面，对于随机出现的裂纹，颗粒的临界应力比纯纤维素基体显著增加6.28%。我们发现，只有二氧化硅颗粒在竹皮中的分布才能保证对随机裂纹的临界应力的增强，因为在其他随机分配的二氧化硅颗粒中没有观察到这种增强，这表明竹皮中二氧化硅的分布对于改善随机裂纹的关键应力是最佳的。这项研究成果可以激励开发更耐用、更可持续的竹制品以及创新的合成复合材料。
图：竹制结构构件和竹皮扫描电镜图像
图：原子模型和MD模拟过程。
图：二氧化硅颗粒对改善临界应力的影响
文五：
新型双尺度混合板-晶格机械超材料的力学设计和吸能性能
摘要：
本文设计并提出了由不同尺度的简单立方结构（SC）、体心立方结构（BCC）、面心立方结构单元（FCC）组成的新型双尺度混合机械超材料，用于冲击能量吸收，其中一个大的A型晶胞和八个（2×2×2）小周期空间结构的B型晶胞（沿X、Y和Z方向具有A型晶细胞的一半大小）集成在一起，以获得最终的混合超材料。通过实验研究，比较了新型杂化机械超材料与结构简单的单一类型晶胞晶格在压缩过程中的比能吸收性能，并用数码相机记录了其失效和能量吸收过程。随后，进行了有限元分析（FEA），并将其与实验结果进行了比较，以研究新型混合板-晶格机械超材料的机械效益。结果发现，新型混合板/晶格力学超材料可以产生更高的比强度、比刚度和更高的能量吸收性能指标，证明了作为航空航天、车辆、运输工业领域的吸能材料和结构的良好工业应用潜力。
图：晶格结构剪切带的形成和由此产生的灾难性破坏，限制了结构的效率
图：四板格构结构的准静态压缩变形过程。
图：四个板格结构的应变-应力曲线。
