稳健且可打印的自由形状热超材料

热超材料在操纵、控制和处理热流方面显示出巨大的潜力，并使许多有前景的热超材料器件成为可能。然而，存在3个长期挑战，即转换光学诱导的各向异性材料参数、试验热元器件的有限形状适应性、背景温度和热功能的先验知识。

来自新加坡国立大学的仇成伟，华中科技大学的高亮、胡润等研究者提出了稳健而且可以打印的自由形状热超材料，以解决这些长期存在的困难。相关研究以Robustly printable freeform thermal metamaterials为题发表在Nature Communications上。

研究者提出了一种与BT无关的设计范式，用于稳健可打印的自由热超材料，可以一次性解决上述3个挑战。研究者首先用变换光学方法计算所需的导热张量，然后将整个域离散为具有局部微结构的单个拓扑功能单元（TFCs），这是利用模压钢（H13）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）两种组成材料，通过拓扑优化方法确定。由于不同TFC的局部热导率不同，微观结构也不同。

以局部热导张量为输入，通过拓扑优化对拓扑功能单元进行自由设计，然后直接组装打印。3种

自由形态的热元器件（集中器、旋转器和斗篷）是专门设计和3D打印的，其全方位集中、旋转和隐身功能在数值和试验中都得到了证明。

该研究为先进热超材料的复杂形状、全方位功能、背景温度无关性和快速成型能力，奠定了强大而灵活的设计范式。

此外，通过定制拓扑优化数学模型，可以方便地将二维热超材料扩展为三维超材料。预计可稳健打印的自由热超材料可能与移动、动态或智能材料耦合，以实现更强大的热超材料。