中國(guó)航空?qǐng)?bào)訊：在可重構(gòu)材料和結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，長(zhǎng)期存在這樣一個(gè)挑戰(zhàn)性問(wèn)題：一般稱(chēng)之為“反演問(wèn)題”。生命體能夠適應(yīng)環(huán)境，并主動(dòng)改變自身形態(tài)，這是其高效、有序活動(dòng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。相比之下，人造物質(zhì)和人造結(jié)構(gòu)的功能以及性能，往往要遜色很多，尤其是在時(shí)間尺度發(fā)揮關(guān)鍵作用的場(chǎng)景中。

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例如，鳥(niǎo)類(lèi)、昆蟲(chóng)等飛行生物能夠扇動(dòng)翅膀主動(dòng)產(chǎn)生空氣動(dòng)力，或者調(diào)整姿態(tài)利用空氣動(dòng)力，表現(xiàn)出優(yōu)雅的飛行姿態(tài)；而人造的撲翼機(jī)等變體飛行器，大多只能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)模式，無(wú)法像生物那樣優(yōu)雅地飛行，在能量利用效率、環(huán)境適應(yīng)性等方面也存在明顯不足。

賦予人造物質(zhì)“時(shí)間尺度”，使其在制造完成后，仍能根據(jù)需要來(lái)改變形狀，是可重構(gòu)材料和結(jié)構(gòu)希望實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。

之前，領(lǐng)域內(nèi)已有大量的研究工作，通過(guò)引入可驅(qū)動(dòng)組分，讓人造物質(zhì)能在磁場(chǎng)、電場(chǎng)、光、溫度等驅(qū)動(dòng)源的作用下發(fā)生形狀變化。

但是，其中一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題在于：如何精準(zhǔn)控制以及重構(gòu)結(jié)構(gòu)的變形，使其成為人們需要的指定形狀，或滿(mǎn)足某一種功能需求。而這種需求往往是隨著時(shí)間變化的。

以常用的打印機(jī)為例，打印時(shí)我們希望機(jī)器能夠準(zhǔn)確輸出指定的圖案，而不是任由打印機(jī)輸出自身內(nèi)置的圖案。

而先前的可重構(gòu)物質(zhì)技術(shù)，要么只能輸出一種特定圖案，要么雖然內(nèi)置了大量圖案，但是無(wú)法將需要的圖案找出來(lái)。

對(duì)于隨時(shí)間連續(xù)變化的結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，找出人們需要的目標(biāo)圖案，則需解決上述“反演問(wèn)題”。

近日，清華大學(xué)王禾翎副研究員聯(lián)合美國(guó)杜克大學(xué)助理教授倪小越，在一項(xiàng)合作工作中通過(guò)發(fā)展兩種策略解決了這一問(wèn)題。

對(duì)于結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單、物理環(huán)境也比較理想的情況，他們發(fā)展了固體力學(xué)理論，針對(duì)目標(biāo)形狀所需的結(jié)構(gòu)變形，該理論能直接預(yù)測(cè)出結(jié)構(gòu)變形的電磁驅(qū)動(dòng)力分布。通過(guò)數(shù)字控制，還可以快速改變電磁力的分布，驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行連續(xù)的變形，從而生成一系列目標(biāo)形狀。

對(duì)于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、物理環(huán)境不太理想的情況，課題組發(fā)展了基于三維成像、反饋控制以及優(yōu)化算法結(jié)合的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法，可讓結(jié)構(gòu)自發(fā)演化成為目標(biāo)形狀。

通過(guò)這兩種策略，能讓結(jié)構(gòu)在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)指定的任意變形過(guò)程。近日，相關(guān)論文以《具有自我進(jìn)化形狀變形的動(dòng)態(tài)可重新編程表面》（A dynamically reprogrammable surface with self-evolving shape morphing）為題發(fā)表在Nature上，白云擔(dān)任第一作者，王禾翎、倪小越、美國(guó)西北大學(xué)約翰·羅杰斯（John A. Rogers）教授、美國(guó)西北大學(xué)黃永剛教授擔(dān)任共同通訊作者。

本文審稿人之一南洋理工大學(xué)機(jī)械與航空航天工程學(xué)院Guo Zhan Lum教授（論文發(fā)表后公開(kāi)了審稿人身份）認(rèn)為，該工作展現(xiàn)了形狀可重編程軟物質(zhì)的重要進(jìn)展。對(duì)于這種超表面來(lái)說(shuō)，它非常值得關(guān)注的特征便是可以精確、快速產(chǎn)生大量三維形狀，并具有很好的魯棒性。

即使出現(xiàn)內(nèi)部或外部擾動(dòng)時(shí)，這一超表面仍能變形成需要的形狀。在軟體機(jī)器人、可穿戴技術(shù)、先進(jìn)材料的大量應(yīng)用中，非常需要這種超表面。

本文另一位匿名審稿人認(rèn)為，“反演問(wèn)題”的難題借此得到了深入研究，該工作具備令人信服的理論/算法結(jié)果以及一些有趣的展示。而通過(guò)大多數(shù)形狀重構(gòu)的方法，確實(shí)難以實(shí)現(xiàn)同樣的動(dòng)態(tài)變形。

相比之下，這種表面重構(gòu)的方法相當(dāng)獨(dú)特。論文所采用的模型和控制方法也非常強(qiáng)大，并且展現(xiàn)了優(yōu)秀的性能。

據(jù)悉，課題組在先前工作里，通過(guò)分布式電磁力驅(qū)動(dòng)、或溫度驅(qū)動(dòng)，使結(jié)構(gòu)在制備完成后，仍能產(chǎn)生豐富變形的能力。

隨后，他們遇到了第一個(gè)挑戰(zhàn)，即前面提到的“反演問(wèn)題”：也就是如何控制結(jié)構(gòu)變形，以讓其成為需要的目標(biāo)形狀。

研究人員先從固體力學(xué)理論模型出發(fā)，設(shè)計(jì)了具有超常規(guī)力學(xué)行為的柔性結(jié)構(gòu)，建立了理論模型，實(shí)現(xiàn)了“反演問(wèn)題”的求解，借此得以找到針對(duì)第一個(gè)挑戰(zhàn)的解決方案。

然而，該團(tuán)隊(duì)從未在實(shí)驗(yàn)上制備出過(guò)這種超柔性、又能自由變形的結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)大量探索，他們終于制備出所需要的結(jié)構(gòu)，并在結(jié)構(gòu)電磁力驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)了基于指定形狀的變形重構(gòu)。

在這個(gè)階段，針對(duì)“反演問(wèn)題”的求解策略，只能用于課題組構(gòu)造的特殊柔性表面。而在實(shí)際應(yīng)用中，則要求柔性結(jié)構(gòu)具有更好的一般性和普適性。這時(shí)，要想繼續(xù)發(fā)展理論模型會(huì)十分困難，這也是課題組遇到的第二個(gè)挑戰(zhàn)。

為克服這一難題，他們發(fā)展了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法，通過(guò)搭建三維成像系統(tǒng)以及學(xué)習(xí)相關(guān)算法，實(shí)現(xiàn)了不依賴(lài)?yán)碚撃Ｐ偷摹胺囱輪?wèn)題”求解策略，讓柔性結(jié)構(gòu)得以自發(fā)演化成目標(biāo)的形狀。

其應(yīng)用場(chǎng)景之一，在于提供了一種關(guān)于真實(shí)物理世界的模擬方法。這種可重構(gòu)的柔性結(jié)構(gòu)，能夠與環(huán)境產(chǎn)生交互作用，可通過(guò)改變自身形態(tài)，來(lái)主動(dòng)探索設(shè)計(jì)空間，從而針對(duì)某種功能的實(shí)現(xiàn)，來(lái)尋找優(yōu)化形態(tài)。

以往，這種對(duì)于設(shè)計(jì)空間的探索，通常是在虛擬世界中開(kāi)展，即基于物理模型的計(jì)算模擬。當(dāng)問(wèn)題背后的物理機(jī)制非常復(fù)雜時(shí)，由于計(jì)算量巨大、故很難完成這種模擬。

如果在真實(shí)物理世界中，對(duì)結(jié)構(gòu)形態(tài)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，則需要依次制備和測(cè)試不同形態(tài)的器件，耗費(fèi)更加龐大。

而本次的可重構(gòu)柔性結(jié)構(gòu)只需制備一次，就能在同一個(gè)平臺(tái)上，測(cè)試大量的結(jié)構(gòu)形態(tài)所對(duì)應(yīng)的性能。在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，可以顯著減少時(shí)間、人力、物力。

同時(shí)，這種基于真實(shí)物理世界的模擬能力，有望用于超材料、柔性飛行器、柔性電子器件等的設(shè)計(jì)，并能產(chǎn)生前所未有的性能甚至功能。

該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這項(xiàng)研究有望開(kāi)創(chuàng)一個(gè)新的研究方向，至少值得向該目標(biāo)做一定的努力。以智能手機(jī)為類(lèi)比，該工作就像是提出了“智能手機(jī)”這個(gè)概念，并進(jìn)行了模塊化的原理驗(yàn)證。

然而，想要造出像智能手機(jī)那樣能用的器件，還需要在深度和廣度上進(jìn)行大量研究。

話(huà)說(shuō)回來(lái)，從基礎(chǔ)理論到應(yīng)用層面，課題組已經(jīng)全鏈條地布局了這一方向。固體力學(xué)理論是該方向的基石，就像電磁學(xué)理論在通信技術(shù)中所起的作用那樣。

而現(xiàn)有的固體力學(xué)理論多用于解決“正演問(wèn)題”，無(wú)法直接用于其所需要解決的“反演問(wèn)題”，因而需要發(fā)展相應(yīng)的新理論。

在硬件技術(shù)層次上，需將本次技術(shù)中的驅(qū)動(dòng)、感知、控制、供能、運(yùn)算等模塊，進(jìn)行小型化、集成化和高性能化，并像智能手機(jī)不斷更新性能。

在功能層次上，其將嘗試使用本次技術(shù)去構(gòu)筑新型機(jī)械超材料、電磁超表面、四維集成器件等。

最后，在應(yīng)用層次上，該團(tuán)隊(duì)打算在柔性微波通訊、變體機(jī)器/飛行器等時(shí)間尺度發(fā)揮關(guān)鍵作用的應(yīng)用場(chǎng)景中，對(duì)人造結(jié)構(gòu)的性能予以提高。

這次成果的誕生，也讓論文作者們感觸頗深。擔(dān)任論文通訊作者的倪小越表示：“我從博士后期開(kāi)始，就一直夢(mèng)想能做出可以自行演化的智能材料。項(xiàng)目一開(kāi)始，我們并沒(méi)有想過(guò)自演化這個(gè)方向。

一開(kāi)始，我們使用三維重構(gòu)的目的，是想用來(lái)定量我們的變形結(jié)果。實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)三維重構(gòu)之后，很自然想到了基于原位表征和重構(gòu)材料的自演化可能性，于是有了后面一系列最主要的成果?！?/p>

事實(shí)上，倪小越的學(xué)科背景更偏材料力學(xué)。但在本次研究期間，她開(kāi)始接觸到計(jì)算機(jī)視覺(jué)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，并發(fā)現(xiàn)計(jì)算機(jī)科學(xué)與材料力學(xué)的相通之處。

此外，對(duì)于優(yōu)化和控制問(wèn)題的研究，也讓她開(kāi)始接觸到柔性機(jī)器人領(lǐng)域。其表示：“對(duì)我來(lái)說(shuō)，這個(gè)研究為我打開(kāi)了很多新的科研方向的大門(mén)?！?/p>

同樣擔(dān)任通訊作者的王禾翎，其學(xué)科背景是固體力學(xué)。在該專(zhuān)業(yè)中人們一般認(rèn)為，當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著的形狀變化時(shí)，所面臨的物理規(guī)律比較復(fù)雜。通常，很難在復(fù)雜形狀和驅(qū)動(dòng)力之間建立簡(jiǎn)單的定量關(guān)系。

“因此，在項(xiàng)目開(kāi)展的很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，我們并沒(méi)有去考慮建立理論模型。在其他研究工作中，我們發(fā)現(xiàn)一類(lèi)結(jié)構(gòu)具有超常規(guī)的簡(jiǎn)潔力學(xué)行為，從而啟發(fā)我們?cè)诖舜雾?xiàng)目中嘗試這類(lèi)結(jié)構(gòu)。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其形狀變化與驅(qū)動(dòng)力之間的關(guān)系，遵循非常簡(jiǎn)單的線(xiàn)性關(guān)系，這是我們項(xiàng)目中的一個(gè)驚喜?！蓖鹾挑岜硎尽?/p>

另?yè)?jù)悉，在王禾翎博后臨近結(jié)束時(shí)，恰好清華大學(xué)在籌建柔性電子技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。相比傳統(tǒng)的科研機(jī)構(gòu)，該實(shí)驗(yàn)室在運(yùn)行模式上具備更大創(chuàng)新性，通過(guò)承接國(guó)家重大任務(wù)，推動(dòng)高校與地方政府、工業(yè)部門(mén)深度合作，打通原始創(chuàng)新成果到產(chǎn)業(yè)應(yīng)用轉(zhuǎn)化的路徑。

王禾翎說(shuō)道：“我們本次工作是基礎(chǔ)研究，最終形成應(yīng)用往往需要很多年的時(shí)間。而柔性電子技術(shù)國(guó)重實(shí)驗(yàn)室的這種模式創(chuàng)新，有望顯著縮短基礎(chǔ)研究形成應(yīng)用的所需時(shí)間。我認(rèn)為加入柔性電子技術(shù)國(guó)重實(shí)驗(yàn)室對(duì)我是一個(gè)很好的機(jī)會(huì)?！?/p>

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