结构无处不在，无论是高高矗立的埃菲尔铁塔还是进入人体的医疗机器人。科技发展对高性能材料结构的需求始终存在，但在当前多元的时代，对任何产品的功能性要求也越加多样。在这个大背景下，我们课题组致力于推动结构工程在多尺度和多学科的无尽前沿，基于“材料-结构-功能”一体化设计理念，以建构化材料为研究对象，探索其几何可重构和属性可调节的作用机理，并利用先进设计和建造手段，开发面向多领域多场景多尺度应用的新材料结构。三个主要研究方向包括：
方向一 结构的智慧化设计与建造 (Data-driven structural design and manufacturing)
未来土建行业一个重要的趋势就是数字化。以人工智能和增材制造为代表的新兴技术，已经逐渐开始渗透在各个学科领域分支。对于材料和结构设计，基于人工智能的计算材料科学也在悄然兴起。因此，我们课题组也在关注如何利用大数据和前沿的机器学习算法帮助我们快速地表征材料属性，亦或是协助我们反向设计出高性能、低碳化、定制化的材料结构。另一方面，在面向宏观尺度智能建造方面，机器人辅助设计也是一大热点领域。我们团队也在关注如何巧妙利用机械臂等工具，建造出经过人工智能算法优化后的材料结构。目前正在进行的课题包括：
(1) 基于领域知识自监督学习方法的材料设计与表征
(2) 基于深度学习方法的结构设计、建造与优化
(3) 面向宏观尺度建造的机械臂辅助建造方法优化
代表作之一： Ma, C., Zhang, Z., Luce, B., Pusateri, S., Xie, B., Rafiei, M., & Hu, N. (2020). “Accelerated design and characterization of non-uniform cellular materials via a machine-learning based framework”, npj Computational Materials, 6(1), 40. https://doi.org/10.1038/s41524-020-0309-6
方向二 高性能结构的定制化设计 (High-performance structures with tailorable properties)
工业化是未来土建行业另一个重要发展趋势。材料和结构设计的首要任务就是要实现面向某种使用功能的物理或力学属性。随着新兴智能建造和人工智能等新兴手段的异军突起，传统的材料结构设计需要被重新审视，更符合时代需求的方法需要被提出和证明。材料结构设计的未来是面向几何可变化、属性可调节、功能可定制、尺度可跨越等方面发展的。因此，我们团队也在不断提出新材料结构的设计原理和方法，在探索能够既满足传统要求又能凸显其定制化特性，最终能够实现材料最省，性能最优的目标。目前正在进行的课题包括：
(1) 面向韧性提升的拉胀材料结构设计、建造与优化
(2) 适用于大型建造领域的多孔晶格化结构设计与优化
(3) 多稳态结构设计原理及其在智能建筑器件和系统中的应用
代表作之一：Zhang, Z., Pusateri, S., Xie, B., Hu, N. (2020). “Tunable Energy Trapping through Contact-induced Snap-through Buckling in Strips with Programmable Imperfections”, Extreme Mechanics Letters, 37, 100732. https://doi.org/10.1016/j.eml.2020.100732
方向三 应对复杂环境的适应结构 (Adaptive structures toward complex environments)
未来建筑和城市对智慧化的要求正在与日俱增。建筑是否也可以像瑞士军刀一样，处理多个任务，应对复杂荷载条件亦或是多重复杂环境。随着智慧城市的推进和工程结构多功能属性的需求，未来工程设计正在朝着提升适应性甚至自适应性的方向迅速发展。但目前大部分工程结构仍具有比较固化的结构形式，和很多生物结构相比，对环境条件的自我调节能力还有很大差距。因此，我们团队重点开发各类多功能可展开空间结构，在满足常规性能的同时解决未来城市不断衍生的新兴需求。目前正在进行的课题包括：
(1) 适用于大型城市开放空间的可展开遮阳结构设计、建造与性能评估
(2) 基于折纸理念的多功能声控结构设计、建造与性能评估
(3) 面向城市灾后快速响应的装配式可展开结构设计与建造方法
代表作之一：Zhang, Z., Luce, B., Ma, C., Xie, B., & Hu, N. (2020). “Programmable Origami-inspired Cellular Architected Building Blocks for Flow-regulating Adaptive Weir”, Extreme Mechanics Letters, 40, 100974. https://doi.org/10.1016/j.eml.2020.100974
