开发能够再现生物组织大变形力学行为的机械超材料，对于提升柔性电子设备、组织工程及生物集成技术的生物相容性具有重要意义。然而，现有仿生材料大多仅能在单轴拉伸条件下模拟生物组织的力学响应，难以应对双轴拉伸、剪切等复杂多轴载荷场景，同时也无法准确复现生物系统固有的空间异质性和力学梯度特征，这严重制约了其在柔性电子与组织工程等领域的实际应用。

北京理工大学先进结构技术研究院郭晓岗教授等人在方岱宁院士的指导下，提出了一类仿生软各向异性超材料。该材料采用各向同性基体框架与定向增强结构相结合的模块化设计策略，在应变能层面实现了与生物软组织的结构相似性，从而能够在单轴、双轴和剪切等多种载荷条件下同步复现类组织力学响应，摆脱了传统设计中力学兼容性对特定载荷模式的依赖。数值模拟与实验结果表明，该类仿生软各向异性超材料可覆盖从肾脏等软器官（约几十 kPa）至皮肤等较硬组织（接近 MPa）的广泛组织力学特性，并能精确模拟不同程度的各向异性行为。相关研究成果以“Bionic Soft Anisotropic Metamaterials for Replicating Tissue-Like Large-Deformation Mechanics under Diverse Loadings”为题，发表于材料研究领域的国际顶级期刊《Advanced Functional Materials》（论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202520564）。本研究得到了国家重点研发计划（项目编号：2022YFB3805700）的资助。  

 

受生物组织微观基质/纤维组分的启发，本研究提出了一类仿生软各向异性超材料（BSAMs）。该材料采用模块化架构，通过将准各向同性结构与定向增强结构相结合，构建出在应变能层面上与生物组织大变形力学响应相匹配的仿生系统。

 

图1 仿生软各向异性超材料（BSAMs）的设计理念。a) 生物软组织中各向异性的微观结构示意图，该结构导致其表现出复杂的非线性且与方向相关的力学响应；b) BSAMs 的仿生设计理念，通过将准各向同性结构与定向增强结构相结合实现性能模拟；c) BSAMs 结构能够在单轴、双轴和剪切等多种载荷条件下同步复现生物组织的力学响应。

基于上述设计，本研究进一步构建了BSAM的非线性三维各向异性力学响应前向预测神经网络模型，实现了在单轴、双轴和剪切等多载荷工况下对大变形力学行为的高效预测。

 

图2 多载荷条件下BSAM的非线性各向异性力学响应前向预测神经网络模型的架构与预测性能。

为实现对多种生物组织在不同工况下的力学响应匹配，本研究提出了一种融合神经网络代理模型与粒子群优化算法的多载荷逆设计策略。实验验证表明，该策略能够有效覆盖从肾脏等软组织（数十kPa）到皮肤等较硬组织（接近MPa）的广泛力学性能范围，并涵盖包括骨骼肌在内的高度各向异性组织。

图3 基于神经网络代理模型与粒子群优化相结合的多工况结构大变形力学响应逆向设计框架。a) 逆设计方法框架示意图；b-d) 以骨骼肌组织为逆向设计目标，实现对其在单轴、双轴和剪切载荷下大变形力学响应的匹配。

 

图4 不同刚度和各向异性程度的生物软组织大变形力学行为再现结果。 

所提出的仿生软各向异性超材料还支持区域分区与梯度组装，能够复现器官级别的力学分布，为生物集成技术构建了一个兼具通用性与精准性的仿生平台。

 

图5 通过分区设计组装策略再现生物结构中的异质大变形力学行为分布。a) 具备类组织力学性能的仿生假肢结构概念示意图；b) BSAM单元逆向设计匹配不同生物组织（如皮肤、骨骼肌和骨骼）的大变形力学响应；c) 分区填充策略构建的仿生假肢结构示例。

 

图6 基于梯度设计策略模拟肌腱-骨骼生物界面处的力学性能分布，以缓解软硬界面结构中的局部应力集中问题。

 

论文引用：J. Ji, K. Zhang, X. Guo, and D. Fang, “ Bionic Soft Anisotropic Metamaterials for Replicating Tissue-Like Large-Deformation Mechanics under Diverse Loadings.” Adv. Funct. Mater. (2025): e20564. https://doi.org/10.1002/adfm.202520564