图1 259期《材料与设计》封面
（记者 焦思勤）近日，我校珠宝学院“宝石矿物材料与设计智造”研究生导学团队在国际知名期刊《材料与设计》上发表重要研究成果，并入选当期封面。论文题目为《具有可调机械响应的三维手性负泊松比结构的设计原理及旋转变形力学机制研究》。封面展示了三维手性负泊松比结构及其在穿戴防护领域的应用（图1），该论文第一作者为珠宝学院博士生潘瑞琪，通讯作者为珠宝学院张荣红教授和华中科技大学杨磊副教授。
随着智能手表、健康手环等可穿戴设备的普及，人们对穿戴材料的轻量化、高韧性和人体贴合性提出了更高要求。负泊松比材料正是一种“反常识”材料：纵向拉伸时横向膨胀，纵向压缩时横向收缩，展现出独特的力学行为，适用于复杂曲面贴合与能量吸收等场景。然而，传统三维负泊松比结构存在制造难度大、性能调控困难等问题。
图2 研究团队提出的新型结构设计与性能调控思路
针对上述挑战，研究团队通过优化原有结构变形的机制，实现了机械性能的可控调节，创新设计三维手性负泊松比结构，为柔性可穿戴提供了新的解决方案（图2）。本研究基于二维交错肋架构，设计出三维手性负泊松比结构：交错肋结构（F-NPR）、曲面优化结构（W-NPR）和节点优化结构（N-NPR），并采用数字光处理技术DLP（Digital Light Processing, DLP）实现高精度制造，打通了从数字模型到实际产品的关键环节。
图3 三种结构的物理缺陷对比。通过对比发现，F-NPR结构在悬垂处存在结构断裂和缺失，W-NPR结构在悬垂处仍存在缺失，N-NPR结构无明显缺陷，实现了三者中的最佳可成形性。
结果表明，N-NPR结构展现出优异的可成形性，尤其适用于成形精度较高的数字光处理增材制造工艺（图3）。
图4 基于有限元模拟的N-NPR结构在压缩载荷下的两段式旋转-扭转变形
通过有限元模拟与实验验证，研究系统探讨了杆径尺寸与单元尺寸对其结构力学性能的影响。结果表明，通过调节体积分数，可精准调控该结构的压缩/拉伸强度、泊松比及能量吸收能力。该结构在压缩与拉伸过程中均表现出显著的负泊松比效应，并在压缩载荷下呈现出独特的两段式旋转－扭转变形机制，极大拓展了材料设计的自由度（图4）。
图5 N-NPR结构在拉伸载荷下的变形效果
研究中提出的N-NPR结构具备可控的变形能力与优异的能量吸收特性，因而在抗冲击、穿戴舒适度及贴合度等方面表现突出。该结构不仅适用于智能穿戴设备，也为航空航天、生物医疗等领域带来新的设计思路，进一步推动了“艺术与科技融合”的学科交叉。未来，团队将进一步引入人工智能，开发更舒适、功能更集成的柔性可穿戴设备。
论文共同作者包括珠宝学院李妍教授、殷杰教授，以及南方科技大学郝亮教授、华中科技大学闫春泽教授等。本研究获国家自然科学基金、湖北省重点研发计划、广东省基础与应用基础研究自然科学基金面上项目及“地大学者”资助项目等多项支持。
据悉，珠宝学院“宝石矿物材料与设计智造”研究生导学团队，是学院重点建设的多学科交叉研究团队。依托多个省部级科研平台，团队在增材制造、智能可穿戴及矿物材料等前沿领域开展创新研究，积极推动材料科学、先进制造与创意设计的深度融合，为学院学科发展和高层次复合型人才培养提供了重要支撑。本文也是近年来我校珠宝学院师生在《材料与设计》上发表的第六篇论文。
论文链接： https://doi.org/10.1016/j.matdes.2025.114784
