清华Adv. Sci.：力学超材料的信息编码和存储

2023-05-07 03:05

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信息编码和存储以及机械计算等信息处理（information processing）能力是今后发展类生命体的“智慧型”材料不可或缺的功能，有望成为材料让人期待的新属性。力学超材料具有近乎无限的几何设计空间，如与激励响应型材料相结合，可带来更多设计维度，为实现具有信息处理能力的超材料提供了可能路径。

近日，清华大学陈常青教授团队结合材料智能和结构智能的概念，提出了一种温度响应型力学超材料，具有一体化的信息编码、存储和显示特性。相关研究成果以“Encoding and Storage of Information in Mechanical Metamaterials”为题发表在Advanced Science。

该工作提出了信息编码和存储力学超材料的通用设计策略。利用由力学超材料构成的像素间高度差来实现信息呈现，每个像素由具有可调双稳态的不同单元串联而成。该设计可实现多层信息的编码和存储，并通过多步加载，实现不同层信息的顺序呈现，如图1所示的双层、三层文字信息以及三层曲面信息等。力学超材料的单双稳态的调控通过温度改变来实现，图2所示为不同温度下单双稳态性质与力学超材料几何尺寸之间的关系。此外，通过考虑热量在不同结构中传递速率的不同，引入时间响应因素，实现基于热调控的多层信息时序编码和存储，从而具有更多层信息处理能力。如图3所示，实现了五个字母“C”、“H”、“H”、“I”、“A”的编码和存储。所提出的力学超材料具有多层信息编码、存储和显示一体化的特点，克服了此前单层信息存储和编码的局限。

图1 具有信息编码、存储和显示能力的力学超材料。

图2 具有可调双稳态性质的力学超材料设计

图3 基于热调控的时序多层信息编码和存储

该工作还建立了多层信息编码和存储的通用编码器。基于MATLAB GUI创建了应用程序，能将任意的文字或曲面信息编码和存储到像素化力学超材料，并生成对应的像素排布，如下面视频所示，展示了该方法的通用性。

该工作将力学超材料作为信息载体，利用力学超材料丰富变形模式的优点，实现了多层信息的编码和存储，展现“智慧型”材料的一种新范式。由于底层物理机制的尺度无关性，随着亚微米3D打印技术和多材料打印技术的发展，为实现小型化的更高信息存储密度的力学超材料提供了可能。

清华大学航天航空学院陈常青教授为论文通讯作者，2018级博士生孟志强为第一作者。作者还包括颜湖杰（钱学森力学班18级本科生）、刘明超博士（现为新加坡南洋理工大学博士后）和秦文楷（清华航院19级本科生），以及合作者美国华盛顿大学盖伊·杰宁（Guy M.Genin）教授。该研究得到了国家自然科学基金委支持。近年来，陈常青课题组在力学超材料领域取得了一系列成果，包括拓扑静态孤子、多步变形、非线性拓扑边界态和机械计算等。