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(xiě)操作方式，有望將智能設備從復雜硬件系統中解放出來(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)機械系統與振動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗室教授何清波不禁感慨：科研（刺激響應超材料）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、計算和通信）。

2021 年 12 月 17 日，該論文以《信息驅動(dòng)彈性動(dòng)力學(xué)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 上[1]。

如下圖，該團隊首次提出信息驅動(dòng)的彈性動(dòng)力學(xué)編程概念，創(chuàng )造出一種結構振動(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(dòng)時(shí)，含羞草會(huì )因為自適應而合攏；當感知到環(huán)境濕度時(shí)，松果會(huì )因為自適應而變形......
這種生物的刺激響應性，啟發(fā)了科學(xué)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(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，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，去對功能型形態(tài)變化做以設計。在刺激響應材料系統中，如何實(shí)現彈性動(dòng)力學(xué)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，何清波和團隊設計出一種仿生刺激響應超材料，該材料具備信息驅動(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。
據介紹，信息驅動(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：當外部刺激信息以彈性動(dòng)力學(xué)特性的形式，編程寫(xiě)入超材料系統，即可解碼和讀取系統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(huì )發(fā)生自適應閉合，其局域共振狀態(tài)也會(huì )從無(wú)序態(tài)變?yōu)橛行驊B(tài)。

據此，何清波等人提出“自適應無(wú)序—有序共振轉換”的動(dòng)力學(xué)理論，設計出具有不同共振狀態(tài)的超材料單胞，進(jìn)而構造出多種超材料超胞，最終搭建出刺激響應超材料網(wǎng)絡(luò )系統。
當遇到環(huán)境信息刺激時(shí)，超材料網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的局域共振狀態(tài)，不僅會(huì )發(fā)生轉變，而且被自適應地編程到整個(gè)系統網(wǎng)絡(luò )的全局動(dòng)力學(xué)響應中，借此即可實(shí)現信息驅動(dòng)的彈性動(dòng)力學(xué)編程。

回顧研究過(guò)程，何清波總結稱(chēng)：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(dòng)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(dòng)器。驅動(dòng)器由智能材料制成，可通過(guò)實(shí)現預先設計的形態(tài)變化，來(lái)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(shí)，超材料葉片處于打開(kāi)狀態(tài)；遇到外部刺激時(shí)，微開(kāi)關(guān)即可被觸發(fā)，進(jìn)而讓溫度升高，這時(shí)驅動(dòng)器就會(huì )變形，借此實(shí)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(dòng)力學(xué)特性進(jìn)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(wú)序—有序共振轉換”的動(dòng)力學(xué)系統。
所采取的物理機制在于：當自適應葉片閉合時(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)，轉換到有序共振狀態(tài)，而這十分有利于實(shí)現超材料信息驅動(dòng)的彈性動(dòng)力學(xué)編程。
也就是說(shuō)，利用不同超材料結構，比如網(wǎng)絡(luò )結構、立方體結構和球形結構，就能以信息驅動(dòng)的方式，來(lái)編程刺激響應超材料的動(dòng)力學(xué)狀態(tài)。
在性能驗證這一步，出于實(shí)現信息驅動(dòng)的彈性動(dòng)力編程的目的，他們構建出一個(gè)自適應的超材料網(wǎng)絡(luò )。借助尺寸不同的超材料葉片，該網(wǎng)絡(luò )可構造出超材料超胞，還能以網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的空間構型，搭建出超材料網(wǎng)絡(luò )系統。
在節點(diǎn)遇到外部刺激時(shí)，對應的超胞也會(huì )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(wǎng)絡(luò )的全局動(dòng)力學(xué)傳輸中。
這種信息驅動(dòng)的可編程性，讓通過(guò)分析自適應實(shí)時(shí)傳輸彈性波響應、去感知受刺激的節點(diǎn)成為現實(shí)，超材料系統的機械式讀寫(xiě)操作也得以實(shí)現。

在完成性能驗證工作之后，何清波和團隊進(jìn)一步挖掘相關(guān)應用潛力。他們發(fā)現，借助信息驅動(dòng)的彈性動(dòng)力學(xué)編程概念，一種全新的機械式讀寫(xiě)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(shí)現。
借助對振動(dòng)刺激信息的感知，有望在刺激信息交互（如命令輸入、交互通信和機器人操作等）、感知編碼計算（如全材料鍵盤(pán)，智能計算器等）和物聯(lián)網(wǎng)物理加密（如登陸權限認證，信息傳輸加密等）等領(lǐng)域，帶來(lái)相關(guān)應用潛力。
另?yè)?，該成果或可給全材料智能系統帶來(lái)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(chǎn)生重要意義。屆時(shí)，智能設備也將從復雜硬件系統中解放出來(lái)。

何清波還總結稱(chēng)，科研工作也會(huì )面臨取舍和抉擇。在該工作初期，他和團隊做了兩個(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，但是為了統一主題，更好地突出工作的展示度，就沒(méi)有在論文中體現自適應振動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò )的內容。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)，目前針對振動(dòng)信息的智能處理技術(shù)，開(kāi)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(wèn)題需要研究解決。
在智能超材料器件研制領(lǐng)域，他和團隊打算結合超材料對彈性波的靈活調控和智能感知，實(shí)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(jìn)一步突破傳統振動(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(huì )服務(wù)于智能化裝備的動(dòng)力學(xué)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.