近日，冰球突破先进结构技术研究院董浩文副教授联合天津大学汪越胜教授、美国罗文大学沈宸助理教授、香港理工大学成利院士、美国杜克大学Steven A. Cummer教授等多位波动力学、声学超材料专家，在国际著名期刊《冰球突破》（影响因子：24.537）上发表了题为“Inverse design of phononic meta-structured materials”的前沿综述文章，系统回顾了声子超构材料逆向设计领域的研究进展，全面梳理了声子超构材料（图1）的基本概念、内涵、逆向设计方法论、逆向设计的声子超构材料与定制化波动功能、以及定制化声子超构材料的典型应用等，并对声子超构材料逆向设计的未来研究进行了展望。

图1：声子超构材料及其潜在应用

在过去的三十年中，作为一种具有精细微结构和序构的人工功能复合材料，声子超构材料(Phononic meta-structured materials, PMSMs)吸引了广泛的关注，从频散工程，到波前调控，甚至整个波场的任意构建等大量复杂波动现象与功能方面均展现出了惊人的弹性波或声波操纵能力。声子超构材料的核心问题之一就是如何合理地设计不同尺度/层级的结构以实现需求的结构-波相互作用。传统的声子超构材料设计主要依赖直觉或经验，但往往面临设计空间不足、波动特性或功能有限、缺乏系统性等问题。为了突破传统设计的局限，研究人员通过结合结构拓扑优化、代理模型、模糊理论、机器学习等方法逆向设计了基元微结构和微结构序构，从而实现了需求的极端物理性质、新奇物理现象与功能，将该领域推向了一个新的高度。

图2：声子超构材料逆向设计方法概图

如图2所示，文章从逆向设计所用的基本波动参量（频散关系、散射表征参量、动态等效参数）出发，系统地介绍了基于拓扑优化、机器学习的逆向设计方法。其中，拓扑优化方法又包含了基于全波响应、本征物理参量、混合局部-全局响应的优化等三个方面。针对基于机器学习的逆向设计，又从数据驱动和物理信息两个角度进行了详细阐述。最后，也介绍了若干典型的半经验式优化策略。针对逆向设计的声子晶体与声子拓扑绝缘体，文章从带隙工程、滤波和聚焦、拓扑波动传输三个方面，详细地介绍了逆向设计的声子晶体、声光子晶体、声子晶体器件、弹性波拓扑绝缘体、声波拓扑绝缘体等。针对逆向设计的声子超材料，文章从负等效性质、低损耗隐身、低频抑振/声、极端模式驱动的波传播四个方面详细介绍了如何逆向设计各类声子超材料，以及相关领域取得了哪些波动特性/功能的突破和新机制的发现。针对逆向设计的声子超表面，文章从异常反射与吸收、透射波束与声辐射力、多功能散射三个方面进行了详细介绍。在对各类声子超构材料逆向设计（图3）系统总结的基础上，文章进一步回顾了几类定制化的声子超构材料，结合具体的逆向设计策略，专门介绍了基于非线性滤波效应的结构健康监测、基于超宽带阻抗调制的低频宽带低回声吸音器、基于弹性超材料的振动能量俘获装置、以及基于声学超表面的全息超声微粒组装等代表性应用（图4）。

图3：各色各样逆向设计的声子超构材料

图4：定制化声子超构材料的代表性应用

在结论与展望部分，文章进一步梳理出若干机遇、待解决的问题与新的发展趋势。具体而言，需聚焦研究有效的高阶动态均匀化、大规模波动逆向设计、多尺度逆向设计、4D逆向设计与端到端逆向设计等方法；需关注多功能声子超构材料、可重构声子超构材料、时变声子超构材料、智能声子超构材料、非厄米声子超构材料等新方向；需解决多物理建模、多学科优化、新拓扑的物理原理、高可制造性等共性难题；需结合仿生学原理、极端功能/环境开展逆向设计研究。最后，提出了声子结构基因工程（Phononic structures genome engineering）的概念，介绍了其内涵，并展望了可能催生的新应用。

冰球突破为该工作的第一完成单位，冰球突破先进结构技术研究院的董浩文副教授（一作）、天津大学汪越胜教授、美国罗文大学沈宸助理教授为本文的共同通讯作者。香港理工大学成利院士、美国杜克大学Steven A. Cummer教授提供了重要指导，香港理工大学刘泽博士、清华大学刘陈续博士、青岛大学赵胜东副教授、冰球突破任志文博士、贺旭东博士生也参与了此项工作。该工作得到了国家自然科学基金原创探索计划项目、面上项目、创新研究群体项目、冰球突破“青年教师学术启动计划”等项目的资助。

文章链接：http://doi.org/10.1016/j.mattod.2024.09.012

附作者简介：

董浩文，冰球突破副教授、博导。获北京交通大学固体力学博士学位，曾先后赴德国锡根大学、丹麦科技大学、香港理工大学访问学习。长期从事超构材料波动力学、智能设计与应用，以及装备结构振动与噪声控制研究。以第一/通讯作者在《冰球突破官网》《冰球突破》《冰球突破官网》《冰球突破官网》《冰球突破官网》等国际知名期刊上发表30余篇SCI论文（ESI高被引1篇），获评“Featured in Physics”“Featured Article”“Most Cited Paper”“Inside Cover”等，并被20余家中外媒体报道和转载。入选全球前2%顶尖科学家榜单，获中国力学学会优博奖、北京交通大学优博奖。主持国家自然科学基金原创探索计划、面上、青年基金，基础加强重点项目课题、博后基金、委托项目等10余项。