‌无论是设计客机舷窗还是发动机线缆导管，制造商都会对开口部位进行强化处理以确保结构完整性。然而，这类加固措施很少能达到完美效果，反而常在其他区域引发新的结构性缺陷。

（图片来源：普林斯顿大学）

据外媒报道，普林斯顿大学（Princeton University）与佐治亚理工学院（Georgia Institute of Technology）研究团队开发出一种新技术，通过使开口在周围作用力下实现“隐形”来保持其结构完整性。与传统方法仅针对特定外力加固开口不同，新方法通过重塑几乎任何可能影响周边材料的力学作用分布，使开口避开力学影响。相关进展发表于期刊《Proceedings of the National Academy of Sciences》。

研究人员表示，他们通过在开口周围布置具有特定微观结构的设计来抵御多种载荷，即导致应力、位移或变形的外部力。这些微观结构的形状和方向经过校准，可应对最具挑战性的结构载荷，从而能够同时抵消多重应力作用。

佐治亚理工学院机械工程助理教授Emily D. Sanders表示：“想象一块有孔的板材，如果对其施加应力，即当你拉它时，孔洞周围会产生应力集中，导致板材比无孔时更快失效。我们想围绕这个孔或缺陷进行设计，使其看起来就像没有孔一样。”

普林斯顿大学工程学教授Glaucio Paulino表示，设计师通常会对窗户、隧道等开口部位进行结构加固。但在单一方向上增加结构强度，加固区域可能在其他方向产生新的应力集中，从而引发其他问题。

该隐形技术的目标是通过重定向力来保护结构，而不会产生新的或不良应力水平。研究人员的灵感来自于树木的结节结构，树节处的微结构似乎能够将外力引导至侵入部位（如树枝或根系）周围区域，从而保持结构强度。研究人员想知道，他们能否在人工材料中设计出具有类似功能的结构。

Paulino表示，该技术依赖于两个优化问题，旨在从一系列选项中选出最佳解决方案。第一个优化问题旨在确定哪些载荷会对物体结构造成最大挑战。实际操作比听起来更具挑战性，因为结构或机器所承受的载荷会随着实际情况发生变化。Paulino表示：“任何结构都可能承受无数的载荷变化可能性。每次驾驶汽车时的载荷情况都不同，风可能从不同的方向吹来，或者温度可能会波动。”

研究人员发现，针对某个结构计算6-10种最不利载荷条件后，可以获得最有效的优化效果。他们利用这些信息进一步求解第二个优化问题，以找到在窗口或管道周围构建和部署微结构的最有效方法。

意大利特伦托大学（Universita' di Trento）固体与结构力学教授Davide Bigoni表示：“此次提出的优化技术代表了一种突破性方法，无论外部施加的力方向如何，都能实现材料缺陷的隐形效果。这一成果实现了全向隐形效果，该特性具有广泛的应用前景，包括确保器官组织替代物中的机械应力中性、通过系统性改造结构构件以优化机械及土木基础设施中的设施通道布局，以及提升艺术品的修复效果。”

该原理与电磁波谱领域的隐形技术（如隐形飞机）具有相似性。Paulino表示：“固体材料控制方程可能比电磁学方程更具挑战性，但我们追求的目标是相同的。通过隐形结构可以屏蔽任何弹性扰动，就像它从未存在过一般。”