用于运动头盔的机械超材料：结构力学、设计优化与性能

摘要 运动相关脑震荡是一项公众健康问题。提高头盔性能以降低脑震荡风险是研发界应对措施的关键组成部分。与顺应性表面发生直接和倾斜头部碰撞会导致持续时间较长的中度或高度线性和旋转加速度，这与脑震荡的高临床诊断率相关。作为具有非同寻常性能组合的工程结构，机械超材料正被应用于运动头盔，旨在提高抗冲击性能并降低脑损伤风险。采用超材料设计方法（通过构建材料结构以获得所需性能）替代传统的头盔材料（即泡沫塑料）选择，有助于开发出接近最优的性能。在为头盔设计机械超材料时，基于对脑震荡的最新认知以及代表实际运动碰撞和跌落的头盔测试所建立的目标函数，可应用于拓扑优化方案。此类方案平衡了计算效率与预测准确性，两者均可在高应变和高应变率下得到改进，以便随着脑震荡认知的发展实现对头盔的改进。研究人员还可以在开放、统一的知识库中共享机械超材料数据、拓扑结构和计算模型，以提高其研发效率。