弯曲梁的“卡扣式”跳变与多重稳定状态

本文研究了一种通过在柔性梁上引入部分切割（即狭缝）来调控其力学失稳行为的新策略。传统细长梁在轴向压缩下仅发生屈曲（buckling），形成左右两种对称的弯曲构型；但加入狭缝后，屈曲后的进一步压缩会触发狭缝区域因弯曲曲率增大而产生局部拉应力，导致狭缝突然张开——这一现象被称为‘狭缝弹跳’（slit-snapping）。由于张开与闭合过程存在路径依赖，整个系统展现出明显的滞后回线，并在特定应变区间内同时存在左屈曲、右屈曲和右弹跳三种稳定状态（即三稳态）。作者通过实验、数值模拟与简化桁架模型（slit-truss model）深入揭示了其机理：狭缝引入了接触非线性，与梁固有的几何非线性协同作用——屈曲由几何非线性主导，而弹跳则由接触非线性触发。进一步地，研究团队将单狭缝拓展至双狭缝乃至多狭缝结构，实现了更丰富的响应：如超大滞后、四稳态（quadstability）、两步弹跳、零应变下的三稳态，以及压缩过程中从右屈曲直接跃迁至左屈曲等极端行为。这些功能均无需改变材料本身，仅靠几何设计即可实现。文中强调，该策略普适性强、设计直观、易于加工，不仅大幅扩展了弹性失稳的调控维度，也为开发具有高密度机械记忆、顺序响应能力及环境自适应特性的新型软体器件、传感器和机械计算单元提供了坚实基础。