来源：“高分子科技”公众号
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，且材料力学性能和结构形态较为固定，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。
【海洋生物启发的非对称多功能设计】
天然生物材料优异的防护性能往往来源于材料组成、微观结构与功能机制的协同作用。例如，贝壳珍珠层通过典型的砖泥结构实现裂纹偏转、界面滑移及多级耗能；部分棘皮动物则依赖可动态重构的组织网络，在外界刺激下快速改变局部刚度。受此启发，研究团队利用弹性网络对剪切变硬胶进行约束，在抑制其长期蠕变的同时保留对应变率高度敏感的动态力学响应；进一步引入磁性颗粒构建磁偶极网络，为材料赋予外磁场调控能力。在此基础上，团队通过表面自组装构筑仿珍珠层界面，形成具有力学防护与光热响应功能分区的非对称结构，实现材料组分、界面结构与多物理场功能的一体化设计，为后续的冲击硬化、磁控变形及力-热协同防护奠定结构基础。
图1
【多网络协同的冲击硬化与力学调控机制】
材料的可调防护性能来源于仿生层状结构、动态聚合物网络与磁偶极网络之间的协同作用。在冲击载荷下，硬质片层首先承担并向周围传递局部载荷，柔性界面则通过变形和界面滑移缓解应力集中。当裂纹萌生后，层状结构可诱导裂纹发生偏转、钝化及曲折扩展，并伴随片层滑移和柔性相桥联，将局部快速破坏转化为多界面参与的渐进式耗能过程。与此同时，剪切变硬网络中的动态键重构和聚合物链运动对加载速率高度敏感。在低速变形条件下，分子链及动态网络具有充分的松弛和重构时间，材料保持较好的柔顺性；在高速冲击条件下，链段运动受到限制，动态键重构滞后，材料响应逐渐由黏性松弛向弹性约束转变，从而产生明显的冲击硬化和能量耗散效应。进一步施加外部磁场后，磁偶极相互作用得到增强，为材料提供额外的主动力学调控通道，实现应变率诱导的被动硬化与磁场驱动的主动调控协同。
图2
【磁力矩驱动的可编程构型变形】
传统柔性防护材料通常以预先设定的固定构型被动承受外部载荷，难以根据服役环境进行实时结构调整。该研究利用材料的剩磁特性及可修复特性，建立了磁控可编程构型设计方法。通过对材料不同区域进行定向磁化，可在结构内部预设空间分布的磁化方向。当施加外部磁场时，材料内部磁矩与外场相互作用产生磁力矩，进而驱动结构发生定向弯曲和可控形态重构。通过调节局部磁化方向、几何构型以及外部磁场方向，可实现多种预设变形模式。多物理场有限元模拟进一步揭示了外部磁场、局部磁矩与宏观结构变形之间的耦合关系。由此，材料的防护模式由传统的性能调节进一步拓展至材料性能-结构构型协同调节，为非接触式、可重构防护提供了新的实现路径。
图3
【非对称光热响应与力-热协同防护】
复杂服役环境中的机械冲击往往伴随高温、太阳辐照或瞬态热冲击，因此，仅依赖单一力学防护难以满足实际应用需求。该研究通过非对称界面设计赋予材料两侧差异化的光学与热学响应。其中，仿珍珠层一侧利用高取向片层对入射辐射进行反射和散射，从而削弱外界热输入；另一侧则利用磁性颗粒增强光吸收与光热转换，实现对材料热状态的双向调控。从力学和热学角度看，仿珍珠层结构不仅承担界面耗能作用，同时可形成稳定的表面防护层。有序片层能够延长热量及氧气向材料内部传递的路径，减缓高温环境对聚合物基体和动态网络的影响，使材料在承受机械冲击的同时维持稳定的结构完整性与动态力学响应，从而实现界面力学耗能与热防护功能的协同统一。
图4
【磁控穹顶结构实现可编程力-热冲击防护】
在材料多物理场响应机制基础上，研究团队进一步构建了磁控穹顶防护结构，将构型变形、冲击耗能与热管理集成于同一体系。施加外部磁场后，预设磁化区域受到磁力矩驱动，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，穹顶几何可通过面外变形和载荷重分配降低局部应力集中，并与材料自身的黏弹耗能、冲击硬化及磁作用共同形成多层次的能量耗散机制。与此同时，非对称表面朝向与穹顶开合状态可进行组合调控。当高反射表面朝向热源并形成空间穹顶构型时，表面辐射反射与结构隔热效应共同抑制外界热量传递；当切换至另一功能表面后，则可增强辐射吸收与光热转换。由此，单一结构可根据不同服役需求在冲击缓冲、热屏蔽和热吸收等功能状态之间进行切换，实现由传统被动防护向非接触、可切换、可编程力-热防护的拓展。
图5
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。通过将仿珍珠层界面耗能、剪切变硬动态网络与磁偶极相互作用有机结合，构建了贯穿分子动态网络、微观界面、宏观可变构型的多尺度防护机制。该策略同时实现了应变率诱导的被动冲击硬化、磁场驱动的主动力学调控以及构型重构带来的结构增强，并进一步赋予材料可切换的热环境调节能力。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 America 2026, 123: e2615691123.
https://doi.org/10.1073/pnas.2615691123