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上海交大團隊研發(fā)“人造含羞草模型”,提出全新機械式讀寫操作方式,有望將智能設備從復雜硬件系統(tǒng)中解放出來

發(fā)布人:深科技 時間:2022-01-13 來源:工程師 發(fā)布文章
“尤記得當時的驚喜和奇妙,我們在工作室養(yǎng)了好幾盆含羞草,有一天盯著它看了許久,就突發(fā)奇想‘含羞草可能不僅僅只會害羞’,正是這種奇思妙想促成了此次工作。當仿含羞草模型做出來后,看到模型受到觸碰,‘葉子’就會自適應閉合的過程,以及在振動環(huán)境中由參差亂舞、到整齊劃一舞動的轉換,覺得激動而又美妙?!?/span>


小小含羞草,啟發(fā)一篇高 IF 期刊論文。提及此事,論文通訊作者上海交通大學機械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室教授何清波不禁感慨:科研(刺激響應超材料)來源于生活(含羞草),而又高于生活(含羞草),終究要服務于生活(信息傳感、計算和通信)。

2021 年 12 月 17 日,該論文以《信息驅動彈性動力學編程的刺激響應超材料》(Stimuli-responsive metamaterials with information-driven elastodynamics programming)為題發(fā)表在 Cell 姊妹刊 Matter [1]。

首次提出信息驅動的彈性動力學編程概念


如下圖,該團隊首次提出信息驅動的彈性動力學編程概念,創(chuàng)造出一種結構振動感知信息的新方式。論文作者均來自該校,一作是博士生李崇,通訊作者是彭志科教授和何清波教授。

據介紹,作為一種對外界環(huán)境刺激表現出適應性功能反應的能力,生物的刺激響應性廣泛存在于大自然中。比如,當感知到環(huán)境振動時,含羞草會因為自適應而合攏;當感知到環(huán)境濕度時,松果會因為自適應而變形......
這種生物的刺激響應性,啟發(fā)了科學家對于功能型智能材料的研究。此前,已有不少刺激響應性材料,遇到外部刺激時,它們會改變物理性質、或化學性質來做出響應,比如改變形狀、顏色或硬度等。
不過,此前研究仍主要采取可編程的彈性靜力學特性,去對功能型形態(tài)變化做以設計。在刺激響應材料系統(tǒng)中,如何實現彈性動力學特性的可編程,仍是待解難題。而在構建全材料仿生智能系統(tǒng)的探索中,攻克上述難題可帶來重要意義。
基于此,何清波和團隊設計出一種仿生刺激響應超材料,該材料具備信息驅動彈性動力學編程的能力,借助模擬含羞草葉片的刺激閉合行為,即可通過感知環(huán)境變化做出刺激響應。
據介紹,信息驅動彈性動力學編程的概念系第一次提出,它具體指的是:當外部刺激信息以彈性動力學特性的形式,編程寫入超材料系統(tǒng),即可解碼和讀取系統(tǒng)中傳輸的彈性波信息。
此次提出的刺激響應彈性超材料,由形狀記憶諧振器構成。在環(huán)境刺激下,它的結構狀態(tài)會發(fā)生自適應閉合,其局域共振狀態(tài)也會從無序態(tài)變?yōu)橛行驊B(tài)。

據此,何清波等人提出“自適應無序—有序共振轉換”的動力學理論,設計出具有不同共振狀態(tài)的超材料單胞,進而構造出多種超材料超胞,最終搭建出刺激響應超材料網絡系統(tǒng)。
當遇到環(huán)境信息刺激時,超材料網絡節(jié)點的局域共振狀態(tài),不僅會發(fā)生轉變,而且被自適應地編程到整個系統(tǒng)網絡的全局動力學響應中,借此即可實現信息驅動的彈性動力學編程。

提出“自適應無序—有序共振轉換”動力學系統(tǒng),并構建自適應超材料網絡


回顧研究過程,何清波總結稱:仿生設計、理論建模和性能驗證,是該工作的三大研究步驟。
在仿生設計這一步,為模擬含羞草的自適應閉合動作,在刺激響應超材料葉片的設計中,該團隊使用了變形驅動器。驅動器由智能材料制成,可通過實現預先設計的形態(tài)變化,來響應外部刺激。
這種結構設計的好處在于,未遇到外部刺激時,超材料葉片處于打開狀態(tài);遇到外部刺激時,微開關即可被觸發(fā),進而讓溫度升高,這時驅動器就會變形,借此實現超材料葉片的刺激響應閉合。
在理論建模這一步,需要對超材料的彈性動力學特性進行表征,并給它的參數化設計提供物理基礎。為此,何清波和團隊提出上述“自適應無序—有序共振轉換”的動力學系統(tǒng)。
所采取的物理機制在于:當自適應葉片閉合時,會產生特定的動力學傳輸帶隙,這時動力學狀態(tài)就會從無序共振狀態(tài),轉換到有序共振狀態(tài),而這十分有利于實現超材料信息驅動的彈性動力學編程。
也就是說,利用不同超材料結構,比如網絡結構、立方體結構和球形結構,就能以信息驅動的方式,來編程刺激響應超材料的動力學狀態(tài)。
在性能驗證這一步,出于實現信息驅動的彈性動力編程的目的,他們構建出一個自適應的超材料網絡。借助尺寸不同的超材料葉片,該網絡可構造出超材料超胞,還能以網絡節(jié)點的空間構型,搭建出超材料網絡系統(tǒng)。
在節(jié)點遇到外部刺激時,對應的超胞也會以自適應的方式,轉換到有序共振狀態(tài),并能編程到超材料網絡的全局動力學傳輸中。
這種信息驅動的可編程性,讓通過分析自適應實時傳輸彈性波響應、去感知受刺激的節(jié)點成為現實,超材料系統(tǒng)的機械式讀寫操作也得以實現。

有望將智能設備從復雜硬件系統(tǒng)中解放出來

在完成性能驗證工作之后,何清波和團隊進一步挖掘相關應用潛力。他們發(fā)現,借助信息驅動的彈性動力學編程概念,一種全新的機械式讀寫操作得以誕生,全材料結構下刺激信息的本體感受也得到實現。
借助對振動刺激信息的感知,有望在刺激信息交互(如命令輸入、交互通信和機器人操作等)、感知編碼計算(如全材料鍵盤,智能計算器等)和物聯網物理加密(如登陸權限認證,信息傳輸加密等)等領域,帶來相關應用潛力。
另據悉,該成果或可給全材料智能系統(tǒng)帶來新機遇,并對信息感知設備的設計,比如傳感、計算和通信等產生重要意義。屆時,智能設備也將從復雜硬件系統(tǒng)中解放出來。

科研工作也會面臨取舍和抉擇


何清波還總結稱,科研工作也會面臨取舍和抉擇。在該工作初期,他和團隊做了兩個超材料網絡,除了發(fā)表出來的信息感知網絡,還有一個自適應振動控制網絡。
他說:“那個也挺有意思的,但是為了統(tǒng)一主題,更好地突出工作的展示度,就沒有在論文中體現自適應振動控制網絡的內容。借此我們也再次領略到科研的真正魅力,即思想要走在前面,突破自身思維框架,學會化繁為簡,形成原創(chuàng)性和自己的特色,把最好的一面展示給大家?!?/span>
未來,他將進一步借助高端加工制備技術、先進功能材料和智能處理算法,研制相關的智能超材料器件,致力于解決工業(yè)裝備及物聯網領域的動力學難題。
總體來說,目前針對振動信息的智能處理技術,開展智能超材料器件研制的基礎研究還處于起步階段,尚有很多基本問題需要研究解決。
在智能超材料器件研制領域,他和團隊打算結合超材料對彈性波的靈活調控和智能感知,實現具有超高精度和超高效率信息處理的智能超材料器件,進一步突破傳統(tǒng)振動信息處理技術的難題。
最后何清波表示:“這既是一項具有廣泛意義的基礎研究,也是一項極具前瞻性的創(chuàng)新型研究,將會服務于智能化裝備的動力學設計與變革性發(fā)展?!?/span>
-End-
參考:1、Chong Li, Zhike Peng and Qingbo. He, "Stimuli-responsive metamaterials with information-driven elastodynamics programming", Matter, https://doi.org/10.1016/j.matt.2021.11.031.


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關鍵詞: 智能設備

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