先进制造、多学科融合和人工智能的快速发展，使材料和结构设计进入了轻量化、集成化、多功能、智能化、柔性和仿生的技术发展新时代。
由于结构设计与制造脱节、复杂结构制造效率低、制造结构的实际机械完整性和可靠性低于结构设计的理论值等因素，传统的结构研究方法对恶劣工业环境中设备和仪器的实际性能存在一些内在的限制。多功能结构一体化水平不足，经济成本过高。此外，工业装备中采用的先进材料和结构往往需要承受极端的使用环境，将先进结构的设计、制造、功能、性能评估和工业应用进一步整合，为其制造优化提供理论和技术基础变得越来越重要。鉴于此，作者提出了一种新的研究范式“力学结构”，旨在通过将结构、装置和设备的结构设计、制造和性能评估相结合，实现极端服务环境下结构、装置和设备的目标力学响应。基于期望的静力和动力力学响应设计新型结构，并考虑整个变形过程中的力学行为，“力学结构”这一新领域追求的是一种面向应用的结构设计方法。轻质多功能点阵结构作为机械结构的典型代表，具有高刚度、高强度、高抗冲击、高吸能、高冲击波衰减、高降噪等特点，在航空航天、交通运输、国防、生物医学。
虽然力学结构领域是从力学和几何开始的，但它并不局限于此。相反，机械结构的设计结合了传统领域的基本力学概念，如理论力学、材料力学和结构力学，以及材料可行性、物理化学、人工智能、机械科学、数学、生命科学和仿生工程等多学科交叉的知识。因此，通过结构的主动机械设计，可以实现力学、声学、光学、电学、磁学和生物学的多功能集成。这一新颖研究领域背后的核心思想和哲学思想是探索一种从“结构”到“结构”的范式变化。“力学”到“机械结构”，从古老的力学概念出发，从现代工程和科学思想的角度重新审视它们。它还旨在探索力学在结构工程、技术和科学领域的作用，以及在结构、材料科学、生命科学、人工智能、数据科学、机械工程、物理化学、能源与环境科学等交叉领域出现的多学科交叉创新。迄今为止，机械结构已广泛应用于各种科学和工程领域，包括深空探测、航天器和空间站设计、多功能碰撞防护、机器人和智能设备、可穿戴/植入式传感器、能量收集和储存以及生物医学。然而，机械结构仍处于起步阶段，通过力学、几何、材料科学和高性能制造技术，寻找新的方法来制备具有更高效率和灵活性的多功能集成先进结构，仍然是一个需要长期深入研究的目标，也需要更多多学科和跨学科研究人员的共同努力。
对于点阵元结构的力学设计，还需要进一步考虑的挑战有：
(1)描述含有不规则和缺陷的元结构的力学性能和变形机制，以及使复合材料均匀化的理论非常有限。在建立结构整体宏观力学性能与晶格单元胞及其组分局部力学性能之间的关系时，需要将晶格结构的多尺度拓扑构型、多类型结构缺陷和微结构几何理论整合到细观力学、复合材料理论、非线性连续介质理论等中。
(2)在多尺度制造缺陷性能方法的背景下，各种类型的技术可用于制造晶格力学元结构，包括增材制造、熔模铸造、黄铜钎焊、机械激光切割和卡合。有必要对制造过程中产生的缺陷、材料的不确定性以及成品结构中的实际结构几何缺陷进行定量表征。为了对最终性能进行可靠的分析，有必要制定多尺度结构模型并对工业性能进行多尺度分析，其中包括制造过程引起的材料和几何不确定性。
(3)生物灵感设计往往不能保证优化结构力学性能的最优解，自然界中可用于结构设计灵感的生物系统范围也是有限的，许多具有非凡性能和功能的结构材料无法通过生物灵感找到。此外，拓扑优化受初始结构构型猜测的约束，不同的初始猜测可能导致不同的优化结构和力学性能。此外，对拓扑优化问题进行合理精确的数学表达有时是不可能的，因为大多数实际工程问题所涉及的物理现象都是高度复杂和非线性的，需要专门的插值和惩罚函数，而这些很难通过有效的、统一的数学公式来表达。由于上述原因，必须鼓励基于数学、人工智能方法（机器学习、深度学习、生成对抗网络等）和大数据（用于训练设计模型）的新型结构类型的发现和发明，以克服应用于点阵机械元结构时拓扑优化和仿生设计的内在局限性。
(4)结构体系的统一科学分类和术语，如传统的以拉伸或弯曲为主的晶格元结构的分类，是相当有限的。由于各种类型的晶格元结构概念是基于不同的变形机制和几何空间拓扑关系发展起来的，因此统一适用于晶格元结构的新的综合分类和术语具有重要意义。
(5)极大尺寸和极小尺寸的元结构对设计方法、力学理论和制造挑战的需求十分迫切。开发先进的制造技术来制造具有极小特征和高质量的点阵力学元结构是必要的。同样，由于航空航天和运输设备通常需要很大的结构，因此有必要开发先进的制造技术来制造具有显著结构尺寸的点阵元结构，同时最大限度地减少制造缺陷。
(6)需要发展超高压、超高温、机-化-热耦合、辐照、零重力等极端环境条件下超结构的先进实验测试和表征方法。传统上，实验力学测试侧重于特定的力学性能，以及连续变形和破坏过程的表征。对于力学元组织，由于变形和力学性能异常，传统的力学测试方法和标准已不适用。例如，按照ASTM标准设计的经典狗骨拉伸试样不适用于点阵结构，连续变形表征方法不适用于折纸、基利加米、点阵结构、通弹、回弹、扭转力学元结构等。
(7)传统的固体力学理论主要针对连续统固体，迫切需要开展基于超常规物理性质新机制的元结构设计理论研究。对于具有复杂微观结构和空间拓扑关系的力学元结构中的离散点阵系统，缺乏新的理论，限制了其设计创造和揭示物理机制。
(8)随着碳中和和元宇宙的研究越来越受到各国政府的关注和支持，先进的机械元结构将在未来时代的技术创新中发挥重要作用。
往期前沿文献汇总超链接： 前沿文献
【免责声明】本文中的部分图片和文字信息来自文献或网络，版权归原作者所有。本文对发表的观点和分析保持中立，如果您认为文中信息来源或者分析观点有误，又或者涉及版权、隐私等问题，请及时私信联系，本公众号将立即删除修改。
