韦德体育 -“做梦都在推导公式”！90后研究员破解百年难题—新闻—科学网

文|《中国科学报》记者 王昊昊 通信员 杨煜昕

“最烧脑时底子睡不着，要吃褪黑素助眠，做梦都于推导公式。”90后国防科技年夜学研究员方鑫，近来终究不消靠褪黑素入眠了。他用6年时间解出了一个世界难题。

现有的工程质料没法统筹高强度及高韧性。要末很硬易断（韧性低），好比陶瓷、金属等，“太刚易折”；要末很软易变（强度低），如橡胶。这是一个百年未解的世界性难题。

不异量的棉麻质料，为何捻成绳索后比捻以前更坚固？绳索打结后，为何能更紧更安稳？方鑫从拧麻绳的手艺中找到解决上述问题的灵感。

经由过程用扭曲变形替换弯曲变形，研究者设计出新的手性超布局，打破了质料与布局的力学机能禁区，测验考试近30种建模解析思绪，成立了柔美的“手性扭曲理论”。日前，这一结果发表在Nature，国防科技年夜学为论文第一单元，方鑫是第一作者兼配合通信作者，中国科学院外籍院士高华健等为通信作者。

研究者构建的全新手性超布局 受访者供图

盘碗拧绳患上灵感

方鑫有个习气，一样平常事情及糊口中，总爱“盘玩”一些他认为能掘客着力学研究潜力的质料及布局设计要领。

险些所有工程布局及设备机体都寻求轻质、高刚度、高强度、高韧性的质料，统筹这些属性象征着布局具有高弹机能（机械能）储能密度、高承载能力以和优秀的抗打击、轻量化、小型化及运动敏捷度。

此前方鑫已经于机械超布局的强非线性颠簸、智能调治、高强高能设计等方面取患上系列结果。他曾经提出一种原创性的智能超质料设计要领，实现了金属基质料刚度及外形的年夜规模、持续、快速调治。相干结果2023年于Nature Materials以封面文章发表后，被Nature评为昔时6月的全世界主要科技进展。

方鑫先容其相干研究事情 王昊昊/摄

本次科研结果的一个主要灵感，恰是源在前述的Nature Materials研究。

那是2019年，方鑫正于做抗打击相干研究。他想弄清晰柔性质料于遭到挤压后会怎样形变，便经由过程3D打印建造了一个带编织布局的柔性碗。

“原本假想的是，挤压这个柔性的碗会让它瘪下去，但事实上并无。”方鑫发明编织的碗于挤压后会出现扭曲状，近似打结的绳索。

这个不测收成让方鑫来了兴致。“我感觉很神奇。”他脑子里布满疑难，为何碗会转起来出现扭曲状？他随之遐想到绳索，碗的扭曲及绳索打结极其相似。

软绳拧一下会变患上又紧又结实。绳索于旋转历程中发生了甚么变化？为何简朴的扭曲形变会让其刚度年夜增？带着这些问题，方鑫举行了深切研究。他发明，这是近现代力学范畴一直没有解决的问题，即布局扭曲问题。

最烧脑时靠褪黑素入睡

紧接着，方鑫发明不只是质料难以实现强度与韧性兼患上，布局也切合这类纪律。“此刻的工程质料及布局有成千上万种构型。我查阅了年夜量文献后发明，这些构型的组织模子，全数基在弯曲及屈曲，质料的抗压能力都基在这些理论。”方鑫暗示。

可否经由过程对于变形模式的节制，来破解质料及布局没法统筹高强度及高韧性的问题？这让方鑫当即接洽到他于碗及绳索中得到的灵感：“绳索打结后会更紧更结实。假如把绳索打结的历程引入质料及布局变形的历程，能不克不及转变质料及布局的强度、韧性？”

绳索的打结历程可以轻松完成，但若让钢筋“打结”进而增长其强度，不依赖东西无法容易完成，为此方鑫还有假想加装一个布局让打结的历程主动完成。

基在这些假想，研究者提出一个新道理，即用压缩旋转屈曲布局替换压缩弯曲屈曲布局作为桁架布局的基元，组织可自由旋转的手性胞元来诱发所需的扭曲模式，据此创造出新的手性超布局，跳出基材自己强度与韧性的制约，用扭曲变形替换弯曲变形来设计新布局。

年夜量理论阐发与试验测试注解，比拟现有非手性轻质布局，于未优化环境下，这类手性布局也能实现高刚度、蒙受年夜变形，将承载屈曲强度晋升5至20倍，将弹性应变能密度晋升5至160倍以上，打破了质料与布局的力学机bevictor伟德官网能禁区。

虽然乐成构建了机能优胜的手性超布局，但这类布局为何能显著晋升质料及布局的机能，暗地里的科学道理是甚么，没有人知道。方鑫发明，挖掘其科学道理比构建出布局更坚苦。

方鑫带着这个问题与力学范畴的权势巨子学者高华健院士开展了深切钻研。高华健说：“旋转屈曲是布局力学中极具挑战性的经典难题。持久以来，研究者们一直试图寻觅年夜变形前提下旋转屈曲的解析解，但始终未能乐成，致使这一研究标的目的逐渐被萧瑟。尚有学者测验考试经由过程数值模仿来研究这一变形历程，但却没法展现完备的力学演化机制。”

听了高教员的注释，方鑫下刻意用数学方程把它暗示出来。

但这其实不轻易。“测验考试了许多种建模要领，依然无法正确解析扭曲的科学道理。那段时间很懊丧，不知道问题出于哪里，最烧脑时晚上底子睡不着觉，要吃褪黑素才能入眠。”方鑫说。

为什么展现力学道理面对更年夜的科学挑战？缘故原由于在杆件布局的“压缩旋转屈曲”是一个繁杂的三维强非线性变形模式，难以于3D几何空间描画，成立其三维变形的几何表述、载荷均衡瓜葛、变形相容瓜葛、变形与布局强度瓜葛的数学方程。直到测验考试了近30种建模要领后，方鑫才找到了手性扭曲问题的解析谜底。

四个“工人”协同“作战”

那末，质料及布局扭曲历程中毕竟发生了甚么，使患上其机能年夜增？

方鑫发明，扭曲的历程是为由四类变形组合而成。假如将这四类变形组合比方成工人，那扭曲的历程就是四个“工人”于协同“作战”。

方鑫于试验室中 王昊昊/摄

这四个“工人”都卖力哪些事情？方鑫先容，它们各司其职、同时事情。弯曲发生的历程有两个“工人”，一个卖力接管压力、一个卖力让质料变弯。扭曲历程中则多了两个“工人”，它们带来了质料机能的极年夜增量。除了了弯曲中的两个“工人”，还有有一个卖力旋转、一个卖力孕育发生交织标的目的的弯曲从而扩展变形空间。四者同步协作，使质料于强度及弹性（极限变形能力）上实现奔腾。

基在此，研究团队终极找到了手性扭曲问题的解析最优解，成立了柔美的“手性扭曲理论”，将这种问题的研究向前推进了一年夜步。

据先容，该团队所成立的手性解析模子能于20%变形规模内正确计较布局变形。研究发明，压缩扭曲包罗了多种变形模式，可以于险些不增长基杆应力的条件下经由过程旋转及面外变形分外存储一倍以上的能量，从而于不异质料强度约束下年夜幅晋升总体超布局力学机能。

“Ground breaking！”高华健认为，手性扭曲理论展现了质料及布局高强高能特征的孕育发生机理，将为航空、航天、船舶、高铁、汽车等工业体系提供主要解决方案。

审稿时“自找苦吃”

这次结果从向Nature投稿到正式发表，共履历了三次修改。让方鑫印象最深刻的是一审。

实在，一审的审稿人仅提出完美一些细节并没有需年夜改，这对于许多论文投稿者来讲是好动静，象征着结果能尽快发表。但方鑫于一审后却提出再加一部门审稿人未说起的内容。

其时，方鑫已经经想通了扭曲的历程中有四个“工人”于协同“作战”。“我的手性扭曲理论也已经经很正确了，可是描写历程中一些数学问题的论述还有不敷严谨，审稿人可能没有存眷到这些问题，纵然不修改论文也可以发表。”方鑫说。

他始终感觉理论的数学方程还有不敷完善，可以再完美一下。“不甘愿宁可云云。假如我弄欠好这个研究，之后可能许多年里都不会有人去存眷及解决这个问题，他人于运用这个理论时可能也会有如许那样的疑难。并且完美手性扭曲理论，是推进力学研究的底子问题，更要奠基好基础。”

没想到，这个“自找苦吃”的做法，让方鑫履历了他研究生活生计最煎熬的一个月。

那段时间，方鑫推失了许多主要集会。他的许多伴侣及同事诧异，方鑫怎么不来开会了。他基本都泡于试验室，甚至连晚上做梦都于推导数学公式。有时辰白日想问题出神，同事跟他打号召都没留意到。

过了两周多后，方鑫还有是没有得到任何新进展。“有人劝我之后再找时机解决这个问题，又不影响论文发表。”方鑫也感觉太煎熬了，身体底子吃不用，便给本身定了一个为期30天的“Deadline”。

直到接到一审修改定见的20多天后，方鑫才找到最优解，“虽然担搁了一些时日，用了三个多月完成修改，但终极熬出了好成果，没出缺陷、没留遗憾”。

Nature审稿人评价说，这是一个很棒的研究。“经由过程均衡布局能量密度、刚度、强度及可恢复应变，解决了工程中的一个基本挑战，为非线性质料力学及具备差别运用的高焓质料提供了新的看法。”

此刻，方鑫团队缭绕构建的手性超布局及手性扭曲理论，于相干范畴开展运用研究，“期待它们阐扬出更优机能”。

相干论文信息：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-08658-z

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