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(shè)備從復(fù)雜硬件系統(tǒng)中解放出來

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(yīng)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(wù)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(qū)動彈性動力學編程的刺激響應(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，該團隊首次提出信息驅(qū)動的彈性動力學編程概念，創(chuàng)造出一種結(jié)構(gòu)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(jù)介紹，作為一種對外界環(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，當感知到環(huán)境振動時，含羞草會因為自適應(yīng)而合攏；當感知到環(huán)境濕度時，松果會因為自適應(yīng)而變形......
這種生物的刺激響應(yīng)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(yīng)性材料，遇到外部刺激時，它們會改變物理性質(zhì)、或化學性質(zhì)來做出響應(yīng)，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(shè)計。在刺激響應(yīng)材料系統(tǒng)中，如何實現(xiàn)彈性動力學特性的可編程，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重要意義。
基于此，何清波和團隊設(shè)計出一種仿生刺激響應(yīng)超材料，該材料具備信息驅(qū)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(yīng)。
據(jù)介紹，信息驅(qū)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?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)會發(fā)生自適應(yīng)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(jù)此，何清波等人提出“自適應(yīng)無序—有序共振轉(zhuǎn)換”的動力學理論，設(shè)計出具有不同共振狀態(tài)的超材料單胞，進而構(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)。
當遇到環(huán)境信息刺激時，超材料網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的局域共振狀態(tài)，不僅會發(fā)生轉(zhuǎn)變，而且被自適應(yīng)地編程到整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的全局動力學響應(yīng)中，借此即可實現(xiàn)信息驅(qū)動的彈性動力學編程。

回顧研究過程，何清波總結(jié)稱：仿生設(shè)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(shè)計這一步，為模擬含羞草的自適應(yīng)閉合動作，在刺激響應(yīng)超材料葉片的設(shè)計中，該團隊使用了變形驅(qū)動器。驅(qū)動器由智能材料制成，可通過實現(xiàn)預(yù)先設(shè)計的形態(tài)變化，來響應(yīng)外部刺激。
這種結(jié)構(gòu)設(shè)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(guān)即可被觸發(fā)，進而讓溫度升高，這時驅(qū)動器就會變形，借此實現(xiàn)超材料葉片的刺激響應(yīng)閉合。
在理論建模這一步，需要對超材料的彈性動力學特性進行表征，并給它的參數(shù)化設(shè)計提供物理基礎(chǔ)。為此，何清波和團隊提出上述“自適應(yīng)無序—有序共振轉(zhuǎn)換”的動力學系統(tǒng)。
所采取的物理機制在于：當自適應(yīng)葉片閉合時，會產(chǎn)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(zhuǎn)換到有序共振狀態(tài)，而這十分有利于實現(xiàn)超材料信息驅(qū)動的彈性動力學編程。
也就是說，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)動的方式，來編程刺激響應(yīng)超材料的動力學狀態(tài)。
在性能驗證這一步，出于實現(xiàn)信息驅(qū)動的彈性動力編程的目的，他們構(gòu)建出一個自適應(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)點的空間構(gòu)型，搭建出超材料網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
在節(jié)點遇到外部刺激時，對應(yīng)的超胞也會以自適應(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)的全局動力學傳輸中。
這種信息驅(qū)動的可編程性，讓通過分析自適應(yīng)實時傳輸彈性波響應(yīng)、去感知受刺激的節(jié)點成為現(xiàn)實，超材料系統(tǒng)的機械式讀寫操作也得以實現(xiàn)。

在完成性能驗證工作之后，何清波和團隊進一步挖掘相關(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(jié)構(gòu)下刺激信息的本體感受也得到實現(xiàn)。
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(lián)網(wǎng)物理加密（如登陸權(quán)限認證，信息傳輸加密等）等領(lǐng)域，帶來相關(guān)應(yīng)用潛力。
另據(jù)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(shè)備的設(shè)計，比如傳感、計算和通信等產(chǎn)生重要意義。屆時，智能設(shè)備也將從復(fù)雜硬件系統(tǒng)中解放出來。

何清波還總結(jié)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(wǎng)絡(luò)，除了發(fā)表出來的信息感知網(wǎng)絡(luò)，還有一個自適應(yīng)振動控制網(wǎng)絡(luò)。
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(xiàn)自適應(yīng)振動控制網(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(shù)、先進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)域的動力學難題。
總體來說，目前針對振動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，尚有很多基本問題需要研究解決。
在智能超材料器件研制領(lǐng)域，他和團隊打算結(jié)合超材料對彈性波的靈活調(diào)控和智能感知，實現(xiàn)具有超高精度和超高效率信息處理的智能超材料器件，進一步突破傳統(tǒng)振動信息處理技術(shù)的難題。
最后何清波表示：“這既是一項具有廣泛意義的基礎(chǔ)研究，也是一項極具前瞻性的創(chuàng)新型研究，將會服務(wù)于智能化裝備的動力學設(shè)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.