钱学森班智能制造模块学生发表论文：机械亚努斯超材料胞元设计

亚努斯（Janus）是罗马人传说中的门神。具有前后两个面孔或四方四个面孔。传说中亚努斯是起源神，执掌着开始和入门，也执掌着出口和结束，同时他又被称为“门户总管”，他永远都象征着世界上矛盾的万事万物，所以，他的肖像被画成两张脸，有“双头亚努斯“的说法。

在科学界，Janus性质常被用来描述物体的不对称性，即在不同的外界作用下呈现出不同的响应状态。物体的Janus性与其结构密切相关，基本的尺寸特征如长度、宽度、厚度以及角度的微小改变都会对整体的Janus性产生影响。我们通过改变这些特征，设计出一种具有较好的Janus性的晶格结构，并实现可编程性。

“横看成岭侧成峰,远近高低各不同”

《题西林壁》是宋代文学家苏轼的诗作。这是一首诗中有画的写景诗，又是一首哲理诗，哲理蕴含在对庐山景色的描绘之中。这两句描述了庐山不同的形态变化，从不同的方位看庐山，所看到的山色和气势又不相同。而今天的主角“Janus”性质和庐山景色非常相似。举个简单的例子，例如在下图所示的物体向左向右分别施加相同的力F_A和F_B，物体的位移分别为和。

如果满足

那么我们称材料具有“互易”性质，即在不同的外力作用下呈现出相同的相应状态。倘若不满足上述公式，即

材料就会打破静力学中的互易性，获得一定程度的不对称性，可以极大地扩展机械系统的功能，我们称这种设计为Janus结构。

受到Janus结构的启发，我们设计出一种晶格结构，它在两个方向相反的力的作用下变形规律不同，一种随着应力增大，应变明显的增大，刚度低，另一种随着应力增大，应变较小的变化，刚度高。。我们采用有限元仿真分析和实验分析，通过改变棱形骨架的角度，证实非互易性和菱形骨架的角度有关，较小的角度能够提供较大的非互易性，即骨架的夹角较小时，在两个不同方向上施加相同大小的力，产生形变的差异较大。

可以随意拆卸？这也太方便了吧！

设计的晶格结构由两部分组成，如图所示，分别是外部的八边形框架和插入内部的棱形骨架，其中长杆支撑和维持晶格刚度的作用，每个杆件之间通过一个柔性铰链连接以允许杆件之间发生相对转动，棱形骨架两端的“T”形结构用于实现与八边形框架的安装和拆卸。

晶格机构有“T”形插头和插槽的设计，可以通过内部棱形骨架和外部框架的拆卸和重组来切换每个晶格的高、低刚度朝向。当多个晶格组合在一起时，就可以改变其中一部分晶格的棱形骨架的排布来变换整个阵列在一个方向上的刚度。在实验中，将六个晶格组合为一个横向阵列，改变棱形骨架的排布方式，在相同大小的力的作用下，阵列的变形程度不同，非互易性不同，这证明成功实现了整个阵列的刚度的改变，这也就是前文提到的可编程性。在下图中，呈现了三种组合方式。可见，第一种组合的非互易性最大，受到力的方向为向下时，变形最小；而受到力的方向向上时，变形最大。

教学与实践融合，发表研究成果

钱学森班智能制造模块2101班学生钟伽委和赵政材在《智能检测技术基础》课程中接触到了Janus材料的概念，表示出了浓厚的兴趣。在课后进入机械学院机器人与智能系统研究所实验室，参与到了Janus材料设计与计算分析。在李博老师的指导下，经过了数月的学习，完成了测试计算工作，并且撰写了论文一篇。上述工作于本月被“Theoretical and Applied Mechanics Letters力学快报（英文）” 杂志接受，并受到杂志新闻公众号的推荐阅读。力学快报（英文）是中国力学领域的第一本快报类英文期刊，主编由中国科学院李家春院士及美国西北大学的黄永刚教授共同担任。期刊编辑部在主编及国际化编委的带领下策划、组织、约请优秀文章，坚持“短、新、快”的期刊特色，以最快的发表速度出版最新的研究成果。

西安交通大学自2007年开始创办“工科试验班（钱学森班）”，遵循钱学森“集大成得智慧”教育理念，秉承大成智慧学中“量智与性智相结合、科学与艺术相结合、科学与哲学相结合、逻辑思维与形象思维相结合、微观认识与宏观认识相结合”的思想精髓，实行大工科通识教育。2020年，在教育部“新工科”建设的思想引领下，钱学森班深化培养模式改革，构建智能制造、智能电气、智能技术与自动化、智慧能源动力4个交叉专业模块，融入前沿学科内容，将“新工科”建设的要求和钱学森班“大成智慧学”的教育理念有机结合。按照钱学森提出的现代科学技术框架构建课程体系，打破专业壁垒，培养未来面向国家多元化重大需求的、具有交叉学科背景的世界一流的工科领军人才。