锻造中国腾云潜海超材料“实力”

　　文／徐　飞

　　2022 年11 月5 日， 期待已久的“ 中国力学大会2021+1”终于线上线下同步开幕。在开幕式上，最重要的环节之一就是表彰颁奖仪式。其中，“复合材料多层级变形及破坏行为关联性理论”获得了第七届中国力学学会自然科学一等奖。这是该奖项设立8 届以来的第2 个一等奖，目前该奖项的一等奖总共只有3 项。

　　看到这里，北京航空航天大学航空科学与工程学院飞机系副教授潘飞与有荣焉，与有功焉。他就是这个奖项的第三完成人，并且是以学生身份完成该奖项相关工作的。

　　航空航天领域高速发展，研发先进材料和结构成为该领域不断向前的重要基础，也是各国科技实力角逐的焦点。新型复合材料/ 结构的空间复杂度更高、层级更多、尺度跨度更大，因此亟需通过多尺度力学分析，揭示其变形和破坏机理，发展和完善多尺度力学理论方法，提出新的材料/ 结构设计概念，进而推动材料/ 结构设计理论的发展。而这正是北京航空航天大学航空科学与工程学院飞机系副教授潘飞的研究范畴。

　　提出“超材料”设计理念

　　客观来说，目前单一均质材料的性能提升越来越困难。因此，学界普遍认为通过微结构和多层级设计得到性能更优的多尺度复合系统成为进一步提升性能的途径。围绕材料的本构性能和复杂变形，潘飞一方面积极开展已有先进材料和结构的性能预测，另一方面面向目标的性能和变形对材料和结构努力进行逆向定制化设计。

　　潘飞和导师提出了“刚度阈值”新概念，对局部具有低维离散结构的纤维的力学性能建立了有效的新评价指标，成功解决了其性能预测和评判的难点问题。在此基础上，他发现了纤维网络的面内- 面外刚度非经典关系。他提出的数据指标和判别标准被ChemTec 出版的复合材料手册收录，刚度阈值公式被用于复材性能推导，理论模型被用于航空轻质复合材料等先进材料研发。

　　不仅如此，潘飞和合作者还建立了微纳米薄膜材料的多尺度力学分析模型，首次揭示了从小分子尺度到宏观尺度的手性传递机理。他发现并量化了范德华层合结构的多重弯曲失效模式及其尺寸效应。建立的弯曲刚度解析关系被诺贝尔奖得主A. K. Geim 等用于设计新结构，理论模型被用于自组装薄膜材料的性能分析和新型结构设计。

　　基于研究成果积累，潘飞最终提出了可编程定制力学性能和变形的超材料设计理念。所谓力学超材料设计，是指通过人为设计材料的微结构（或曰基本单元），来实现一些天然材料无法实现的新奇特性。更为关键的是，通过对基本单元的力学设计，能在完成材料加工之后对性能进行定制化调节。他提出了“三维像素”新概念设计，有效克服了传统连续材料无法承受强非均匀变形的局限性，突破了原有材料/结构的设计维度和性能区间，成功实现了简便快捷地根据目标需求对材料力学性能的定制和在线重定制。基于结构双/多稳态，潘飞提出了低功耗形状可重构材料/ 结构的设计策略，实现了超快大幅可重构智能结构。

　　潘飞的研究成果引起了学术界的极大兴趣。他在NatureCommunications、Science Robotics、Journal of the Mechanics and Physics of Solids、Advanced Materials 等权威期刊发表SCI 论文30 余篇，包括封面文章2 篇，ESI 高被引文章1 篇，并获得了国家发明专利授权2 项。

　　“超材料”背后的超级探索力

　　在接受采访时，潘飞曾经坦言他从童年玩具“啪啪圈”获得灵感而产出顶级学术论文的趣事。其实，不仅是啪啪圈，甚至积木、吸管都能吸引潘飞进行深度思考并使之获得启发。这样的超级探索力让人叹为观止，更让人想一探究竟。

　　对此，潘飞表示：“我是一个对生活常见事物比较有好奇心的人。虽然，并非所有的好奇心都能催化出科研成果，但是，我很喜欢钻研的过程。”细细算来，今年（2023 年）已经是潘飞来到北航的第14 年。从本科学习至今，他一直都在这里，在科研领域里上下求索，不断突破学术界限。目前，潘飞已经集齐本科、硕士、博士、博士后和教工五张“一卡通”，也算是难得的人生履历“小纪念”。

　　潘飞清楚地记得，在2009 年高考结束后，他在填报志愿之时，正是我国大飞机事业发展“起跑”之际。怀着满腔空天报国热情，他的第一志愿就是北航的飞行器设计与工程专业。在大学本科阶段，潘飞在北航受到了浓厚的航空航天文化熏陶，在与良师益友相处的浓厚学习氛围中，为后来的学术发展打下了坚实的专业基础。

　　在专业课学习过程中，潘飞对力学的兴趣逐渐浓厚。也许兴趣便是最好的机缘，大三时，潘飞进入飞行器结构强度系陈玉丽教授团队参加本科生科研训练，并继续攻读硕士学位。在硕士研究生学习期间，他围绕纳米纤维网络材料的力学性能开展研究，取得了一定的科研成果。

　　在兴趣和求知的驱使下，潘飞选择了硕博连读，继续攻读博士学位。为了让自己的研究视野更加开阔，在攻读博士学位期间，潘飞选择在国家纳米科学中心施兴华研究员课题组进行联合培养。他一方面继续先进材料力学性能研究探索工作，另一方面与材料、化学的学者交叉合作，利用力学解决他们在材料设计制备中的问题。

　　兴趣总能激发新的探索点，潘飞对力学超材料方面的探索和研究不断前行，推动他不断思考研究的应用和发展。2019 年博士毕业后，他在北航文力教授的软体机器人实验室开展了博士后阶段的研究工作。期间，他把力学分析和结构设计应用于软体机器人设计，取得的成绩有目共睹。他基于自己研究的超材料/ 结构学术成果而设计出的软体抓持器，搭载于“奋斗者号”和“深海勇士号”，首次实现了我国3400m 深海环境的生物柔性抓持和安全采样。对理论研究的不断深入和对实际应用的不断尝试，促使潘飞对自己的研究和未来的发展有了明确的方向，促成他选择“出站”后在北航飞机系继续奋进。

　　北航，是潘飞14 年奋斗的见证和热爱，在2015 年攻读硕士期间和2019 年攻读博士期间，共计两次获得“北航研究生十佳”荣誉称号，并获得北航研究生十佳学术论文奖。除此之外，他还获得了2015 年北航博士新生奖学金、2016 年北航博士生卓越学术基金、2016 年博士研究生国家奖学金、2017 年和2019 年工信部创新奖学金、2019 北京市优秀毕业生等奖项。

　　面向未来，潘飞初心不变，仍然秉持踏实的科研态度，希望能够面向未来航空航天、智能系统上自适应智能结构的需求，通过复合材料和微结构设计、多尺度力学分析等方法，构建新型的可调性能可调形状的智能结构。他一方面继续要在学术前沿探索新的设计理念和方法，另一方面也要积极探索这些新概念设计在实际工程中的应用，不断为国人腾云潜海提供助力。

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