“做夢都在推導公式”！90后研究員破解百年難題
文|《中國科學報》記者 王昊昊 通訊員 楊煜昕
“最燒腦時根本睡不著，要吃褪黑素助眠，做夢都在推導公式。”90后國防科技大學研究員方鑫，最近終于不用靠褪黑素入睡了。他用6年時間解出了一個世界難題。
現有的工程材料無法兼顧高強度和高韌性。要么很硬易斷（韌性低），比如陶瓷、金屬等，“太剛易折”；要么很軟易變（強度低），如橡膠。這是一個百年未解的世界性難題。
相同量的棉麻材料，為什么捻成繩子后比捻之前更結實？繩子打結后，為什么能更緊更牢固？方鑫從擰麻繩的手藝中找到解決上述問題的靈感。
通過用扭曲變形替代彎曲變形，研究者設計出新的手性超結構，打破了材料與結構的力學性能禁區，嘗試近30種建模解析思路，建立了優美的“手性扭曲理論”。日前，這一成果發表于Nature，國防科技大學為論文第一單位，方鑫是第一作者兼共同通訊作者，中國科學院外籍院士高華健等為通訊作者。
研究者構建的全新手性超結構 受訪者供圖
盤碗擰繩得靈感
方鑫有個習慣，日常工作和生活中，總愛“盤玩”一些他認為能發掘出力學研究潛力的材料和結構設計方法。
幾乎所有工程結構和裝備機體都追求輕質、高剛度、高強度、高韌性的材料，兼顧這些屬性意味著結構具備高彈性能（機械能）儲能密度、高承載能力以及優異的抗沖擊、輕量化、小型化和運動靈敏度。
此前方鑫已在機械超結構的強非線性波動、智能調節、高強高能設計等方面取得系列成果。他曾提出一種原創性的智能超材料設計方法，實現了金屬基材料剛度和形狀的大范圍、連續、快速調節。相關成果2023年在Nature Materials以封面文章發表后，被Nature評為當年6月的全球重要科技進展。
方鑫介紹其相關研究工作 王昊昊/攝
本次科研成果的一個重要靈感，正是源于前述的Nature Materials研究。
那是2019年，方鑫正在做抗沖擊相關研究。他想搞清楚柔性材料在受到擠壓后會如何形變，便通過3D打印制作了一個帶編織結構的柔性碗。
“原本設想的是，擠壓這個柔性的碗會讓它癟下去，但事實上并沒有。”方鑫發現編織的碗在擠壓后會呈現扭曲狀，類似打結的繩子。
這個意外收獲讓方鑫來了興趣。“我覺得很神奇。”他腦子里充滿疑問，為什么碗會轉起來呈現扭曲狀？他隨之聯想到繩子，碗的扭曲和繩子打結極為相似。
軟繩擰一下會變得又緊又堅固。繩子在扭轉過程中發生了什么變化？為什么簡單的扭曲形變會讓其剛度大增？帶著這些問題，方鑫進行了深入研究。他發現，這是近現代力學領域一直沒有解決的問題，即結構扭曲問題。
最燒腦時靠褪黑素入眠
緊接著，方鑫發現不只是材料難以實現強度與韌性兼得，結構也符合這種規律。“現在的工程材料和結構有成千上萬種構型。我查閱了大量文獻后發現，這些構型的構造模型，全部基于彎曲和屈曲，材料的抗壓能力都基于這些理論。”方鑫表示。
能否通過對變形模式的控制，來破解材料和結構無法兼顧高強度和高韌性的問題？這讓方鑫立即聯系到他在碗和繩子中獲得的靈感：“繩子打結后會更緊更堅固。如果把繩子打結的過程引入材料和結構變形的過程，能不能改變材料和結構的強度、韌性？”
繩子的打結過程可以輕松完成，但如果讓鋼筋“打結”進而增加其強度，不依靠工具沒法輕易完成，為此方鑫還設想加裝一個結構讓打結的過程自動完成。
基于這些設想，研究者提出一個新原理，即用壓縮扭轉屈曲結構替代壓縮彎曲屈曲結構作為桁架結構的基元，構造可自由扭轉的手性胞元來誘發所需的扭曲模式，據此創造出新的手性超結構，跳出基材本身強度與韌性的制約，用扭曲變形替代彎曲變形來設計新結構。
大量理論分析與實驗測試表明，相比現有非手性輕質結構，在未優化情況下，這種手性結構也能實現高剛度、承受大變形，將承載屈曲強度提升5至20倍，將彈性應變能密度提升5至160倍以上，打破了材料與結構的力學性能禁區。
雖然成功構建了性能優越的手性超結構，但這種結構為什么能顯著提升材料和結構的性能，背后的科學原理是什么，沒有人知道。方鑫發現，挖掘其科學原理比構建出結構更困難。
方鑫帶著這個問題與力學領域的權威學者高華健院士開展了深入研討。高華健說：“扭轉屈曲是結構力學中極具挑戰性的經典難題。長期以來，研究者們一直試圖尋找大變形條件下扭轉屈曲的解析解，但始終未能成功，導致這一研究方向逐漸被冷落。另有學者嘗試通過數值模擬來研究這一變形過程，但卻無法揭示完整的力學演化機制。”
聽了高老師的解釋，方鑫下決心用數學方程把它表示出來。
但這并不容易。“嘗試了很多種建模方法，依然沒法準確解析扭曲的科學原理。那段時間很沮喪，不知道問題出在哪里，最燒腦時晚上根本睡不著覺，要吃褪黑素才能入睡。”方鑫說。
為何揭示力學原理面臨更大的科學挑戰？原因在于桿件結構的“壓縮扭轉屈曲”是一個復雜的三維強非線性變形模式，難以在3D幾何空間刻畫，建立其三維變形的幾何表述、載荷平衡關系、變形相容關系、變形與結構強度關系的數學方程。直到嘗試了近30種建模方法后，方鑫才找到了手性扭曲問題的解析答案。
四個“工人”協同“作戰”
那么，材料和結構扭曲過程中究竟發生了什么，使得其性能大增？
方鑫發現，扭曲的過程是為由四類變形組合而成。如果將這四類變形組合比喻成工人，那扭曲的過程就是四個“工人”在協同“作戰”。
方鑫在實驗室中 王昊昊/攝
這四個“工人”都負責哪些工作？方鑫介紹，它們各司其職、同時工作。彎曲發生的過程有兩個“工人”，一個負責接受壓力、一個負責讓材料變彎。扭曲過程中則多了兩個“工人”，它們帶來了材料性能的極大增量。除了彎曲中的兩個“工人”，還有一個負責扭轉、一個負責產生交叉方向的彎曲從而擴大變形空間。四者同步協作，使材料在強度和彈性（極限變形能力）上實現飛躍。
基于此，研究團隊最終找到了手性扭曲問題的解析最優解，建立了優美的“手性扭曲理論”，將這類問題的研究向前推進了一大步。
據介紹，該團隊所建立的手性解析模型能在20%變形范圍內準確計算結構變形。研究發現，壓縮扭曲包含了多種變形模式，可以在幾乎不增加基桿應力的前提下通過扭轉和面外變形額外存儲一倍以上的能量，從而在相同材料強度約束下大幅提升整體超結構力學性能。
“Ground breaking！”高華健認為，手性扭曲理論揭示了材料和結構高強高能特性的產生機理，將為航空、航天、船舶、高鐵、汽車等工業系統提供重要解決方案。
審稿時“自找苦吃”
此次成果從向Nature投稿到正式發表，共經歷了三次修改。讓方鑫印象最深刻的是一審。
其實，一審的審稿人僅提出完善一些細節并無需大改，這對很多論文投稿者來說是好消息，意味著成果能盡快發表。但方鑫在一審后卻提出再加一部分審稿人未提及的內容。
當時，方鑫已經想通了扭曲的過程中有四個“工人”在協同“作戰”。“我的手性扭曲理論也已經很準確了，但是描述過程中一些數學問題的闡述還不夠嚴謹，審稿人可能沒有關注到這些問題，即使不修改論文也能夠發表。”方鑫說。
他始終覺得理論的數學方程還不夠完美，可以再完善一下。“不甘心如此。如果我搞不好這個研究，以后可能很多年里都不會有人去關注和解決這個問題，別人在應用這個理論時可能也會有這樣那樣的疑問。而且完善手性扭曲理論，是推進力學研究的根本問題，更要奠定好基礎。”
沒想到，這個“自找苦吃”的做法，讓方鑫經歷了他研究生涯最煎熬的一個月。
那段時間，方鑫推掉了很多重要會議。他的很多朋友和同事詫異，方鑫怎么不來開會了。他基本都泡在實驗室，甚至連晚上做夢都在推導數學公式。有時候白天想問題入迷，同事跟他打招呼都沒注意到。
過了兩周多后，方鑫還是沒有獲得任何新進展。“有人勸我以后再找機會解決這個問題，又不影響論文發表。”方鑫也覺得太煎熬了，身體根本吃不消，便給自己定了一個為期30天的“Deadline”。
直到接到一審修改意見的20多天后，方鑫才找到最優解，“雖然耽擱了一些時日，用了三個多月完成修改，但最終熬出了好結果，沒有缺陷、沒留遺憾”。
Nature審稿人評價說，這是一個很棒的研究。“通過平衡結構能量密度、剛度、強度和可恢復應變，解決了工程中的一個基本挑戰，為非線性材料力學和具有不同應用的高焓材料提供了新的見解。”
現在，方鑫團隊圍繞構建的手性超結構和手性扭曲理論，在相關領域開展應用研究，“期待它們發揮出更優性能”。
相關論文信息：
https://www.nature.com/articles/s41586-025-08658-z
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