机械超材料因其独特的结构设计，能够通过“屈曲”（buckling）和“突跳”（snapping）等失稳行为，实现多步变形和复杂功能。然而，在传统系统中，这些单元结构的突跳顺序往往对微小缺陷极为敏感，导致不同区域随机发生失稳，使整体响应难以预测和控制，极大限制了其工程应用。

  针对这一挑战，北卡州立大学尹杰与雪城大学张腾研究团队提出一种全新的设计策略，通过材料内部的磁相互作用，实现结构失稳过程从“随机无序”到“可控有序”的转变。他们设计了一种受剪纸（kirigami）启发的软磁性超材料，通过在柔性基体中嵌入磁性单元，使结构在变形过程中产生内在磁耦合，从而无需持续外场即可引导突跳按预定顺序发生。

  2026年3月20日，该成果以“Magnetic coupling transforms random snapping into ordered sequences in soft metamaterials”为题于近日在线发表于Science Advances。博士生孙昊泽为文章第一作者。

  实验显示，该剪纸结构在磁化前后表现出截然不同的力学行为（图1）。未磁化时，材料在自身重力作用下发生面外屈曲并整体同时失稳，力–位移曲线平滑且滞回较小；而磁化后，磁相互作用(吸引力)抑制初始变形，使结构保持闭合状态，并在拉伸过程中转变为逐行发生的序列突跳(sequential snapping)。这种逐步触发的失稳过程在力学响应中表现为明显的尖峰和多次力下降，不仅使初始刚度提升约18倍，还将能量耗散能力提高近4倍。

图1:磁性剪纸超材料制备以及磁化前后变形对比

  在单层结构中，尽管可存在序列突跳，但不同样品之间的突跳顺序存在明显差异（图2A-B）。这种随机性源于制造过程中不可避免的微小缺陷，例如切口宽度不均或单元间隙差异。由于屈曲失稳对缺陷高度敏感，不同样品表现出不同的突跳路径；但在同一结构中重复实验，跳变顺序保持一致，说明随机性本质上由固定缺陷所决定。

  令人惊讶的是，当这些原本表现出随机行为的单层结构被组装成多层超材料后，系统却自发呈现出高度有序的响应（图2C-2H）。在双层结构中，通过调控层间磁相互作用为排斥或吸引，可以构建多种组合形式。尽管单层行为是随机的，但在不同组合中，约89%的排斥型结构和67%的吸引型结构都表现出稳定的定向突跳传播。在更复杂的三层结构中，这一比例依然高达80%。这一结果表明，层间磁相互作用能够有效抑制由缺陷引起的随机性，使整体行为趋于确定性和可预测。

图2: 层间磁相互作用实现随机到有序

  进一步研究发现，不同磁相互作用对应不同机制（图3）。排斥型结构通过“连锁反应”实现逐行传播：局部间隙触发相邻单元依次跳变，形成具有方向性的序列过程；而吸引型结构则由于层间紧密耦合，使同一行单元同步变形，难以触发连锁传播，但仍能在一定程度上过滤缺陷影响。三层结构中，两种作用共同调控，表现出介于两者之间的有序行为。

图3: 有序转变机理

  这种从“随机”到“有序”的转变不仅提升了可控性，也显著增强了性能。序列跳变带来的强滞回效应，使材料的能量耗散能力最高提升约四倍，在冲击吸收和防护结构中展现出良好应用前景（图4）。

图4:冲击吸能应用

总结

  该研究提出了一种基于内部相互作用的全新设计范式，使材料能够在无需持续外部驱动的情况下，实现了机械超材料中失稳行为从随机到有序的转变。基于这一原理，未来有望构建多稳态、可重构且完全柔性的三维磁性结构系统，在柔性机器人、波传播调控以及生物医学器件等领域发挥重要作用。

  文章信息：

  Haoze Sun, Gabriel Alkuino, Yinding Chi, Yevhen Zabila, Haitao Qing, Denys Makarov, Teng Zhang, Jie Yin，“Magnetic coupling transforms random snapping into ordered sequences in soft metamaterials”，Science Advances,aec3182 (2026)

  https://doi.org/10.1126/sciadv.aec3182