上海交大團(tuán)隊(duì)研發(fā)“人造含羞草模型”，提出全新機(jī)械式讀寫操作方式，有望將智能設(shè)備從復(fù)雜硬件系統(tǒng)中解放出來(lái)

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(xué)機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授何清波不禁感慨：科研（刺激響應(yīng)超材料）來(lái)源于生活（含羞草），而又高于生活（含羞草），終究要服務(wù)于生活（信息傳感、計(jì)算和通信）。

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

如下圖，該團(tuán)隊(duì)首次提出信息驅(qū)動(dòng)的彈性動(dòng)力學(xué)編程概念，創(chuàng)造出一種結(jié)構(gòu)振動(dòng)感知信息的新方式。論文作者均來(lái)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(jù)介紹，作為一種對(duì)外界環(huán)境刺激表現(xiàn)出適應(yīng)性功能反應(yīng)的能力，生物的刺激響應(yīng)性廣泛存在于大自然中。比如，當(dāng)感知到環(huán)境振動(dòng)時(shí)，含羞草會(huì)因?yàn)樽赃m應(yīng)而合攏；當(dāng)感知到環(huán)境濕度時(shí)，松果會(huì)因?yàn)樽赃m應(yīng)而變形......
這種生物的刺激響應(yīng)性，啟發(fā)了科學(xué)家對(duì)于功能型智能材料的研究。此前，已有不少刺激響應(yīng)性材料，遇到外部刺激時(shí)，它們會(huì)改變物理性質(zhì)、或化學(xué)性質(zhì)來(lái)做出響應(yīng)，比如改變形狀、顏色或硬度等。
不過(guò)，此前研究仍主要采取可編程的彈性靜力學(xué)特性，去對(duì)功能型形態(tài)變化做以設(shè)計(jì)。在刺激響應(yīng)材料系統(tǒng)中，如何實(shí)現(xiàn)彈性動(dòng)力學(xué)特性的可編程，仍是待解難題。而在構(gòu)建全材料仿生智能系統(tǒng)的探索中，攻克上述難題可帶來(lái)重要意義。
基于此，何清波和團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一種仿生刺激響應(yīng)超材料，該材料具備信息驅(qū)動(dòng)彈性動(dòng)力學(xué)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(guò)感知環(huán)境變化做出刺激響應(yīng)。
據(jù)介紹，信息驅(qū)動(dòng)彈性動(dòng)力學(xué)編程的概念系第一次提出，它具體指的是：當(dāng)外部刺激信息以彈性動(dòng)力學(xué)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?shù)膹椥圆ㄐ畔ⅰ?/span>
此次提出的刺激響應(yīng)彈性超材料，由形狀記憶諧振器構(gòu)成。在環(huán)境刺激下，它的結(jié)構(gòu)狀態(tài)會(huì)發(fā)生自適應(yīng)閉合，其局域共振狀態(tài)也會(huì)從無(wú)序態(tài)變?yōu)橛行驊B(tài)。

據(jù)此，何清波等人提出“自適應(yīng)無(wú)序—有序共振轉(zhuǎn)換”的動(dòng)力學(xué)理論，設(shè)計(jì)出具有不同共振狀態(tài)的超材料單胞，進(jìn)而構(gòu)造出多種超材料超胞，最終搭建出刺激響應(yīng)超材料網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
當(dāng)遇到環(huán)境信息刺激時(shí)，超材料網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的局域共振狀態(tài)，不僅會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，而且被自適應(yīng)地編程到整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的全局動(dòng)力學(xué)響應(yīng)中，借此即可實(shí)現(xiàn)信息驅(qū)動(dòng)的彈性動(dòng)力學(xué)編程。

回顧研究過(guò)程，何清波總結(jié)稱：仿生設(shè)計(jì)、理論建模和性能驗(yàn)證，是該工作的三大研究步驟。
在仿生設(shè)計(jì)這一步，為模擬含羞草的自適應(yīng)閉合動(dòng)作，在刺激響應(yīng)超材料葉片的設(shè)計(jì)中，該團(tuán)隊(duì)使用了變形驅(qū)動(dòng)器。驅(qū)動(dòng)器由智能材料制成，可通過(guò)實(shí)現(xiàn)預(yù)先設(shè)計(jì)的形態(tài)變化，來(lái)響應(yīng)外部刺激。
這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的好處在于，未遇到外部刺激時(shí)，超材料葉片處于打開狀態(tài)；遇到外部刺激時(shí)，微開關(guān)即可被觸發(fā)，進(jìn)而讓溫度升高，這時(shí)驅(qū)動(dòng)器就會(huì)變形，借此實(shí)現(xiàn)超材料葉片的刺激響應(yīng)閉合。
在理論建模這一步，需要對(duì)超材料的彈性動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行表征，并給它的參數(shù)化設(shè)計(jì)提供物理基礎(chǔ)。為此，何清波和團(tuán)隊(duì)提出上述“自適應(yīng)無(wú)序—有序共振轉(zhuǎn)換”的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。
所采取的物理機(jī)制在于：當(dāng)自適應(yīng)葉片閉合時(shí)，會(huì)產(chǎn)生特定的動(dòng)力學(xué)傳輸帶隙，這時(shí)動(dòng)力學(xué)狀態(tài)就會(huì)從無(wú)序共振狀態(tài)，轉(zhuǎn)換到有序共振狀態(tài)，而這十分有利于實(shí)現(xiàn)超材料信息驅(qū)動(dòng)的彈性動(dòng)力學(xué)編程。
也就是說(shuō)，利用不同超材料結(jié)構(gòu)，比如網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、立方體結(jié)構(gòu)和球形結(jié)構(gòu)，就能以信息驅(qū)動(dòng)的方式，來(lái)編程刺激響應(yīng)超材料的動(dòng)力學(xué)狀態(tài)。
在性能驗(yàn)證這一步，出于實(shí)現(xiàn)信息驅(qū)動(dòng)的彈性動(dòng)力編程的目的，他們構(gòu)建出一個(gè)自適應(yīng)的超材料網(wǎng)絡(luò)。借助尺寸不同的超材料葉片，該網(wǎng)絡(luò)可構(gòu)造出超材料超胞，還能以網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的空間構(gòu)型，搭建出超材料網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
在節(jié)點(diǎn)遇到外部刺激時(shí)，對(duì)應(yīng)的超胞也會(huì)以自適應(yīng)的方式，轉(zhuǎn)換到有序共振狀態(tài)，并能編程到超材料網(wǎng)絡(luò)的全局動(dòng)力學(xué)傳輸中。
這種信息驅(qū)動(dòng)的可編程性，讓通過(guò)分析自適應(yīng)實(shí)時(shí)傳輸彈性波響應(yīng)、去感知受刺激的節(jié)點(diǎn)成為現(xiàn)實(shí)，超材料系統(tǒng)的機(jī)械式讀寫操作也得以實(shí)現(xiàn)。

在完成性能驗(yàn)證工作之后，何清波和團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步挖掘相關(guān)應(yīng)用潛力。他們發(fā)現(xiàn)，借助信息驅(qū)動(dòng)的彈性動(dòng)力學(xué)編程概念，一種全新的機(jī)械式讀寫操作得以誕生，全材料結(jié)構(gòu)下刺激信息的本體感受也得到實(shí)現(xiàn)。
借助對(duì)振動(dòng)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(jī)器人操作等）、感知編碼計(jì)算（如全材料鍵盤，智能計(jì)算器等）和物聯(lián)網(wǎng)物理加密（如登陸權(quán)限認(rèn)證，信息傳輸加密等）等領(lǐng)域，帶來(lái)相關(guān)應(yīng)用潛力。
另?yè)?jù)悉，該成果或可給全材料智能系統(tǒng)帶來(lái)新機(jī)遇，并對(duì)信息感知設(shè)備的設(shè)計(jì)，比如傳感、計(jì)算和通信等產(chǎn)生重要意義。屆時(shí)，智能設(shè)備也將從復(fù)雜硬件系統(tǒng)中解放出來(lái)。

何清波還總結(jié)稱，科研工作也會(huì)面臨取舍和抉擇。在該工作初期，他和團(tuán)隊(duì)做了兩個(gè)超材料網(wǎng)絡(luò)，除了發(fā)表出來(lái)的信息感知網(wǎng)絡(luò)，還有一個(gè)自適應(yīng)振動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)。
他說(shuō)：“那個(gè)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(méi)有在論文中體現(xiàn)自適應(yīng)振動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)容。借此我們也再次領(lǐng)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(xué)會(huì)化繁為簡(jiǎn)，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(lái)，他將進(jìn)一步借助高端加工制備技術(shù)、先進(jìn)功能材料和智能處理算法，研制相關(guān)的智能超材料器件，致力于解決工業(yè)裝備及物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的動(dòng)力學(xué)難題。
總體來(lái)說(shuō)，目前針對(duì)振動(dòng)信息的智能處理技術(shù)，開展智能超材料器件研制的基礎(chǔ)研究還處于起步階段，尚有很多基本問(wèn)題需要研究解決。
在智能超材料器件研制領(lǐng)域，他和團(tuán)隊(duì)打算結(jié)合超材料對(duì)彈性波的靈活調(diào)控和智能感知，實(shí)現(xiàn)具有超高精度和超高效率信息處理的智能超材料器件，進(jìn)一步突破傳統(tǒng)振動(dòng)信息處理技術(shù)的難題。
最后何清波表示：“這既是一項(xiàng)具有廣泛意義的基礎(chǔ)研究，也是一項(xiàng)極具前瞻性的創(chuàng)新型研究，將會(huì)服務(wù)于智能化裝備的動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)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.