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清華大學(xué)陳常青教授團(tuán)隊(duì)《Adv. Sci.》：力學(xué)超材料的信息編碼和存儲(chǔ)
2023-04-26  來(lái)源：高分子科技

  信息編碼和存儲(chǔ)以及機(jī)械計(jì)算等信息處理（information processing）能力是今后發(fā)展類生命體的“智慧型”材料不可或缺的功能，有望成為材料讓人期待的新屬性。力學(xué)超材料具有近乎無(wú)限的幾何設(shè)計(jì)空間，如與激勵(lì)響應(yīng)型材料相結(jié)合，可帶來(lái)更多設(shè)計(jì)維度，為實(shí)現(xiàn)具有信息處理能力的超材料提供了可能路徑。


  近日，清華大學(xué)陳常青教授團(tuán)隊(duì)結(jié)合材料智能和結(jié)構(gòu)智能的概念，提出了一種溫度響應(yīng)型力學(xué)超材料，具有一體化的信息編碼、存儲(chǔ)和顯示特性。相關(guān)研究成果以“Encoding and Storage of Information in Mechanical Metamaterials”為題在Advanced Science發(fā)表。



  該工作提出了信息編碼和存儲(chǔ)力學(xué)超材料的通用設(shè)計(jì)策略。利用由力學(xué)超材料構(gòu)成的像素間高度差來(lái)實(shí)現(xiàn)信息呈現(xiàn)，每個(gè)像素由具有可調(diào)雙穩(wěn)態(tài)的不同單元串聯(lián)而成。該設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)多層信息的編碼和存儲(chǔ)，并通過(guò)多步加載，實(shí)現(xiàn)不同層信息的順序呈現(xiàn)，如圖1所示的雙層、三層文字信息以及三層曲面信息等。力學(xué)超材料的單雙穩(wěn)態(tài)的調(diào)控通過(guò)溫度改變來(lái)實(shí)現(xiàn)，圖2所示為不同溫度下單雙穩(wěn)態(tài)性質(zhì)與力學(xué)超材料幾何尺寸之間的關(guān)系。此外，通過(guò)考慮熱量在不同結(jié)構(gòu)中傳遞速率的不同，引入時(shí)間響應(yīng)因素，實(shí)現(xiàn)基于熱調(diào)控的多層信息時(shí)序編碼和存儲(chǔ)，從而具有更多層信息處理能力。所提出的力學(xué)超材料具有多層信息編碼、存儲(chǔ)和顯示一體化的特點(diǎn)，克服了此前單層信息存儲(chǔ)和編碼的局限。


圖1 具有信息編碼、存儲(chǔ)和顯示能力的力學(xué)超材料。


圖2 具有可調(diào)雙穩(wěn)態(tài)性質(zhì)的力學(xué)超材料設(shè)計(jì)


  該工作將力學(xué)超材料作為信息載體，利用力學(xué)超材料豐富變形模式的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了多層信息的編碼和存儲(chǔ)，展現(xiàn)“智慧型”材料的一種新范式。由于底層物理機(jī)制的尺度無(wú)關(guān)性，隨著亞微米3D打印技術(shù)和多材料打印技術(shù)的發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)小型化的更高信息存儲(chǔ)密度的力學(xué)超材料提供了可能。


  清華大學(xué)航天航空學(xué)院陳常青教授為論文通訊作者，2018級(jí)博士生孟志強(qiáng)為第一作者。作者還包括顏湖杰（錢學(xué)森力學(xué)班18級(jí)本科生）、劉明超博士（現(xiàn)為新加坡南洋理工大學(xué)博士后）和秦文楷（清華航院19級(jí)本科生），以及合作者美國(guó)華盛頓大學(xué)蓋伊·杰寧（Guy M.Genin）教授。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委支持。近年來(lái)，陳常青課題組在力學(xué)超材料領(lǐng)域取得了一系列成果，包括拓?fù)潇o態(tài)孤子、多步變形、非線性拓?fù)溥吔鐟B(tài)和機(jī)械計(jì)算等。


  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202301581

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