天天关注:科学家造出动态可重新编程表面 有望用于柔性微波通讯和飞行器等

中国航空报讯:在可重构材料和结构领域,长期存在这样一个挑战性问题:一般称之为“反演问题”。生命体能够适应环境,并主动改变自身形态,这是其高效、有序活动实现的关键。相比之下,人造物质和人造结构的功能以及性能,往往要逊色很多,尤其是在时间尺度发挥关键作用的场景中。


(资料图片仅供参考)

例如,鸟类、昆虫等飞行生物能够扇动翅膀主动产生空气动力,或者调整姿态利用空气动力,表现出优雅的飞行姿态;而人造的扑翼机等变体飞行器,大多只能实现简单的运动模式,无法像生物那样优雅地飞行,在能量利用效率、环境适应性等方面也存在明显不足。

赋予人造物质“时间尺度”,使其在制造完成后,仍能根据需要来改变形状,是可重构材料和结构希望实现的目标。

之前,领域内已有大量的研究工作,通过引入可驱动组分,让人造物质能在磁场、电场、光、温度等驱动源的作用下发生形状变化。

但是,其中一个关键问题在于:如何精准控制以及重构结构的变形,使其成为人们需要的指定形状,或满足某一种功能需求。而这种需求往往是随着时间变化的。

以常用的打印机为例,打印时我们希望机器能够准确输出指定的图案,而不是任由打印机输出自身内置的图案。

而先前的可重构物质技术,要么只能输出一种特定图案,要么虽然内置了大量图案,但是无法将需要的图案找出来。

对于随时间连续变化的结构来说,找出人们需要的目标图案,则需解决上述“反演问题”。

近日,清华大学王禾翎副研究员联合美国杜克大学助理教授倪小越,在一项合作工作中通过发展两种策略解决了这一问题。

对于结构较为简单、物理环境也比较理想的情况,他们发展了固体力学理论,针对目标形状所需的结构变形,该理论能直接预测出结构变形的电磁驱动力分布。通过数字控制,还可以快速改变电磁力的分布,驱动结构进行连续的变形,从而生成一系列目标形状。

对于结构较为复杂、物理环境不太理想的情况,课题组发展了基于三维成像、反馈控制以及优化算法结合的数据驱动方法,可让结构自发演化成为目标形状。

通过这两种策略,能让结构在一定范围内实现指定的任意变形过程。近日,相关论文以《具有自我进化形状变形的动态可重新编程表面》(A dynamically reprogrammable surface with self-evolving shape morphing)为题发表在Nature上,白云担任第一作者,王禾翎、倪小越、美国西北大学约翰·罗杰斯(John A. Rogers)教授、美国西北大学黄永刚教授担任共同通讯作者。

本文审稿人之一南洋理工大学机械与航空航天工程学院Guo Zhan Lum教授(论文发表后公开了审稿人身份)认为,该工作展现了形状可重编程软物质的重要进展。对于这种超表面来说,它非常值得关注的特征便是可以精确、快速产生大量三维形状,并具有很好的鲁棒性。

即使出现内部或外部扰动时,这一超表面仍能变形成需要的形状。在软体机器人、可穿戴技术、先进材料的大量应用中,非常需要这种超表面。

本文另一位匿名审稿人认为,“反演问题”的难题借此得到了深入研究,该工作具备令人信服的理论/算法结果以及一些有趣的展示。而通过大多数形状重构的方法,确实难以实现同样的动态变形。

相比之下,这种表面重构的方法相当独特。论文所采用的模型和控制方法也非常强大,并且展现了优秀的性能。

据悉,课题组在先前工作里,通过分布式电磁力驱动、或温度驱动,使结构在制备完成后,仍能产生丰富变形的能力。

随后,他们遇到了第一个挑战,即前面提到的“反演问题”:也就是如何控制结构变形,以让其成为需要的目标形状。

研究人员先从固体力学理论模型出发,设计了具有超常规力学行为的柔性结构,建立了理论模型,实现了“反演问题”的求解,借此得以找到针对第一个挑战的解决方案。

然而,该团队从未在实验上制备出过这种超柔性、又能自由变形的结构。经过大量探索,他们终于制备出所需要的结构,并在结构电磁力驱动下,实现了基于指定形状的变形重构。

在这个阶段,针对“反演问题”的求解策略,只能用于课题组构造的特殊柔性表面。而在实际应用中,则要求柔性结构具有更好的一般性和普适性。这时,要想继续发展理论模型会十分困难,这也是课题组遇到的第二个挑战。

为克服这一难题,他们发展了基于数据驱动的方法,通过搭建三维成像系统以及学习相关算法,实现了不依赖理论模型的“反演问题”求解策略,让柔性结构得以自发演化成目标的形状。

其应用场景之一,在于提供了一种关于真实物理世界的模拟方法。这种可重构的柔性结构,能够与环境产生交互作用,可通过改变自身形态,来主动探索设计空间,从而针对某种功能的实现,来寻找优化形态。

以往,这种对于设计空间的探索,通常是在虚拟世界中开展,即基于物理模型的计算模拟。当问题背后的物理机制非常复杂时,由于计算量巨大、故很难完成这种模拟。

如果在真实物理世界中,对结构形态进行优化设计,则需要依次制备和测试不同形态的器件,耗费更加庞大。

而本次的可重构柔性结构只需制备一次,就能在同一个平台上,测试大量的结构形态所对应的性能。在优化设计时,可以显著减少时间、人力、物力。

同时,这种基于真实物理世界的模拟能力,有望用于超材料、柔性飞行器、柔性电子器件等的设计,并能产生前所未有的性能甚至功能。

该团队认为,这项研究有望开创一个新的研究方向,至少值得向该目标做一定的努力。以智能手机为类比,该工作就像是提出了“智能手机”这个概念,并进行了模块化的原理验证。

然而,想要造出像智能手机那样能用的器件,还需要在深度和广度上进行大量研究。

话说回来,从基础理论到应用层面,课题组已经全链条地布局了这一方向。固体力学理论是该方向的基石,就像电磁学理论在通信技术中所起的作用那样。

而现有的固体力学理论多用于解决“正演问题”,无法直接用于其所需要解决的“反演问题”,因而需要发展相应的新理论。

在硬件技术层次上,需将本次技术中的驱动、感知、控制、供能、运算等模块,进行小型化、集成化和高性能化,并像智能手机不断更新性能。

在功能层次上,其将尝试使用本次技术去构筑新型机械超材料、电磁超表面、四维集成器件等。

最后,在应用层次上,该团队打算在柔性微波通讯、变体机器/飞行器等时间尺度发挥关键作用的应用场景中,对人造结构的性能予以提高。

这次成果的诞生,也让论文作者们感触颇深。担任论文通讯作者的倪小越表示:“我从博士后期开始,就一直梦想能做出可以自行演化的智能材料。项目一开始,我们并没有想过自演化这个方向。

一开始,我们使用三维重构的目的,是想用来定量我们的变形结果。实现动态三维重构之后,很自然想到了基于原位表征和重构材料的自演化可能性,于是有了后面一系列最主要的成果。”

事实上,倪小越的学科背景更偏材料力学。但在本次研究期间,她开始接触到计算机视觉和计算机图形学,并发现计算机科学与材料力学的相通之处。

此外,对于优化和控制问题的研究,也让她开始接触到柔性机器人领域。其表示:“对我来说,这个研究为我打开了很多新的科研方向的大门。”

同样担任通讯作者的王禾翎,其学科背景是固体力学。在该专业中人们一般认为,当结构发生显著的形状变化时,所面临的物理规律比较复杂。通常,很难在复杂形状和驱动力之间建立简单的定量关系。

“因此,在项目开展的很长一段时间内,我们并没有去考虑建立理论模型。在其他研究工作中,我们发现一类结构具有超常规的简洁力学行为,从而启发我们在此次项目中尝试这类结构。

结果发现,其形状变化与驱动力之间的关系,遵循非常简单的线性关系,这是我们项目中的一个惊喜。”王禾翎表示。

另据悉,在王禾翎博后临近结束时,恰好清华大学在筹建柔性电子技术国家级重点实验室。相比传统的科研机构,该实验室在运行模式上具备更大创新性,通过承接国家重大任务,推动高校与地方政府、av图片部门深度合作,打通原始创新成果到产业应用转化的路径。

王禾翎说道:“我们本次工作是基础研究,最终形成应用往往需要很多年的时间。而柔性电子技术国重实验室的这种模式创新,有望显著缩短基础研究形成应用的所需时间。我认为加入柔性电子技术国重实验室对我是一个很好的机会。”

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来源:中国航空报
编辑:GY653

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