近日，上海交通大学材料科学与工程学院特种材料研究所团队提出了一种仿生表面分级Gyroid三周期极小曲面（TPMS）超结构设计策略。研究将二维三角形和六边形蜂窝拓扑映射至 Gyroid 曲面，通过调节表面特征的类型、数量及空间排布，协同控制局部变形与整体塌缩顺序，实现逐层及层间交错的多阶段吸能。
相关成果以“Additively manufactured surface-hierarchical gyroid triply periodic minimal surface with high dynamic energy-absorption”为题，发表于国际学术期刊《Thin-Walled Structures》（中科院力学一区，IF=8.3）。上海交通大学博士生任芃源为第一作者，王洪泽和高振洋为共同通讯作者。共同作者包括王浩伟、吴一、唐梓珏、孙华、王茂松等。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.tws.2026.115740
轻量化吸能结构在航空航天、交通运输和防护装备等领域具有重要应用价值。面对外部载荷，结构能否持续、稳定地吸收能量，不仅取决于材料本身，也与内部几何形态和变形方式密切相关。如何让不同区域有序参与变形，避免局部过早压实，是提升吸能性能的重要问题。
传统TPMS设计主要通过调整孔隙率、壁厚或单胞排列改善性能。研究团队进一步借鉴天然蜂窝与竹秆的结构特征，将六边形和三角形蜂窝网络引入 Gyroid 曲面，分别构建HG-TPMS（六边形蜂窝表面分级Gyroid）和TG-TPMS（三角形蜂窝表面分级Gyroid），并通过改变单胞上的蜂窝特征数量（图片），调节结构密度与力学响应（{ REF _Ref243571394 \h |图 1}{ REF _Ref243571395 \h |图 2}）。
图 { SEQ 图 \* ARABIC |1} 仿生表面分级Gyroid超结构的设计思路
图 { SEQ 图 \* ARABIC |2} （a）TG-TPMS与HG-TPMS点阵结构的生成过程，其中，常数 a 表示单胞尺寸；（b）具有不同单胞表面特征数量的TG-TPMS点阵结构；（c）具有不同单胞表面特征。数量的HG-TPMS点阵结构。图中数字表示每个单胞上集成的蜂窝分级数量（图片）。
研究采用柔性光敏树脂（Formlabs® Flexible 80A resin），通过立体光固化增材制造技术制备试样，并结合不同加载速度下的压缩实验、循环加载实验及有限元分析，考察表面拓扑与变形行为之间的关系。
实验与模拟表明，传统 Gyroid 结构在压缩过程中容易形成局部塌缩和应力集中区域，部分区域提前压实，限制后续可用于吸能的变形空间。引入表面分级设计后，应力能够沿蜂窝网络重新分配，结构的变形方式随之改变。三角形表面网络有利于形成较强的承载骨架，在压缩过程中表现出较明显的局部屈曲；六边形表面网络则更有利于局部弯曲和渐进折叠，使变形更加分散，延缓大范围致密化。有限元应力分布与实验变形形貌相互印证，显示表面网络能够改变载荷传递和局部塌缩路径（{ REF _Ref243571403 \h |图 3}）。在25 mm/s的压缩速度下，与传统 Gyroid 结构相比，所研究三角形表面分级结构的归一化强度最高提升约44%；六边形表面分级结构的归一化吸能效率提升约20.4%—26.0%。归一化强度考虑了密度因素，反映结构在轻量化条件下的承载能力。
图 { SEQ 图 \* ARABIC |3} 传统 Gyroid 与两类表面分级结构的应力分布及实验变形对比。
在明确两类表面拓扑的力学差异后，研究团队进一步通过空间排布设计，将单胞层面的性能差异转化为整体结构的有序变形。首先，沿高度方向改变表面特征数量，构建具有层间力学差异的梯度结构。压缩时，较低强度层优先变形，随后其他层逐步参与，使塌缩过程沿预设顺序推进。
在此基础上，研究将三角形与六边形表面分级单胞组合，构建复合多层级结构（{ REF _Ref243571418\h |图4}）。实验观察到，变形首先在预设的较低强度六边形单胞区域启动，再向相邻层及三角形单胞区域扩展，形成层间交错的多阶段塌缩路径（{ REF_Ref243571422\h |图5}，见视频1）。
这种设计使不同区域在不同阶段参与承载和吸能，有助于协调局部柔顺性与整体稳定性，延长应力平台阶段。各区域通过连续几何过渡实现连接，并采用一体化打印制备。
图 { SEQ 图 \* ARABIC |4} 复合多层级Gyroid结构设计
图 { SEQ 图 \* ARABIC |5} 复合多层级Gyroid结构层间交错坍塌的压缩过程
对于需要反复承受载荷的缓冲结构，单次吸能能力之外，循环过程中的性能保持同样重要。研究团队进一步开展了循环动态压缩实验，考察结构耗能衰减与损伤演化。
结果显示，各类结构的耗能均经历初期较快下降、随后逐渐趋于稳定的过程。与传统 Gyroid 结构相比，表面分级设计减轻了早期性能衰减，并提高了循环后的耗能水平。在25 mm/s加载条件下，表面分级结构在20次循环后保留的耗散能量最高提升约47.6%。循环耗能保持与衰减参数的对比见{ REF _Ref243572673 \h |图 6}。循环后的形貌观察表明，传统 Gyroid 试样出现了可见表面裂纹，而表面分级试样在相同加载程序下未观察到可见裂纹。这与局部变形方式的改变相呼应：分散的弯曲和屈曲变形有助于减轻集中压实及局部损伤积累。
图 { SEQ 图 \* ARABIC |6} 循环压缩后的耗能保持与衰减参数对比
为进一步评价该策略，研究团队制备了BCC、FCC、Tesseract、Octet-truss及Vintiles等典型杆系点阵，以及Gyroid、Primitive、IWP和Neovius等传统TPMS结构作为对照。所有对比试样采用相同材料和打印参数，并在25 mm/s加载速度下进行测试。
在相近有效密度下，相较于所测试的传统杆系点阵，表面分级 Gyroid 结构的比吸能、归一化强度及20次循环后保留的归一化耗散能量，最高分别提升686%、566%和478%；相较于所测试的传统TPMS结构，对应指标最高分别提升134.5%、174.0%和108.8%。
不同结构的性能对比见{ REF _Ref243573725 \h |图 7}。上述数值分别对应研究密度范围及对照结构集合中的最佳提升结果，体现了表面分级设计在轻量化承载、吸能和循环耗能方面的潜力。
图 { SEQ 图 \* ARABIC |7} 不同结构的比吸能、归一化强度及循环后归一化耗散能量对比
这项研究将TPMS的连续曲面拓展为可主动调控力学响应的设计空间，建立了从仿生表面拓扑、局部变形机制到整体塌缩路径的设计思路。通过调节不同单胞的力学特征及空间组合，结构能够实现分阶段、渐进式吸能，为面向缓冲防护需求的轻量化超结构提供新的研究依据。
该工作得到国家自然科学基金（52441503、52305391、52305490）、上海市自然科学基金（25ZR1402248）、安徽省高校协同创新项目（GXXT-2023-029）等项目支持，并得到上海交通大学与宁德时代新能源电池9σ联合研究项目的部分支持。
课题组介绍
上海交通大学材料学院特种材料研究所是金属基复合材料国家重点实验室的重要组成部分，由王浩伟讲席教授任负责人。研究所主要从事新型特种材料的设计、制备及其成形技术研究，支撑了多项国家重大工程需求，在航空航天和汽车轨交等多领域获得广泛应用。多年来承担国防重点攻关项目、重点研发计划、民机预研、民用航天预研、国家自然科学基金及国际合作项目等五十余项。在国内外学术刊物上发表学术研究论文近300篇，获授权中国国家发明专利100余项。先后获得教育部技术发明一等奖、上海市技术发明一等奖及中国有色金属工业技术发明一等奖。研究所秉承“创新创造、科研报国”的精神，胸怀祖国、服务社会，面向世界科技前沿、面向国家重大需求，砥砺前行、勇攀高峰。
团队现长期诚聘激光增材制造/激光成形工艺和装备，增材制造材料表征（微观组织、力学性能、疲劳），增材制造过程同步辐射成像、增材制造超结构等方向博士后。
联系人：王洪泽 (hz.wang@sjtu.edu.cn)
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