中國航空報訊：在可重構材料和結構領域，長期存在這樣一個挑戰性問題：一般稱之為“反演問題”。生命體能夠適應環境，并主動改變自身形態，這是其高效、有序活動實現的關鍵。相比之下，人造物質和人造結構的功能以及性能，往往要遜色很多，尤其是在時間尺度發揮關鍵作用的場景中。

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例如，鳥類、昆蟲等飛行生物能夠扇動翅膀主動產生空氣動力，或者調整姿態利用空氣動力，表現出優雅的飛行姿態；而人造的撲翼機等變體飛行器，大多只能實現簡單的運動模式，無法像生物那樣優雅地飛行，在能量利用效率、環境適應性等方面也存在明顯不足。

賦予人造物質“時間尺度”，使其在制造完成后，仍能根據需要來改變形狀，是可重構材料和結構希望實現的目標。

之前，領域內已有大量的研究工作，通過引入可驅動組分，讓人造物質能在磁場、電場、光、溫度等驅動源的作用下發生形狀變化。

但是，其中一個關鍵問題在于：如何精準控制以及重構結構的變形，使其成為人們需要的指定形狀，或滿足某一種功能需求。而這種需求往往是隨著時間變化的。

以常用的打印機為例，打印時我們希望機器能夠準確輸出指定的圖案，而不是任由打印機輸出自身內置的圖案。

而先前的可重構物質技術，要么只能輸出一種特定圖案，要么雖然內置了大量圖案，但是無法將需要的圖案找出來。

對于隨時間連續變化的結構來說，找出人們需要的目標圖案，則需解決上述“反演問題”。

近日，清華大學王禾翎副研究員聯合美國杜克大學助理教授倪小越，在一項合作工作中通過發展兩種策略解決了這一問題。

對于結構較為簡單、物理環境也比較理想的情況，他們發展了固體力學理論，針對目標形狀所需的結構變形，該理論能直接預測出結構變形的電磁驅動力分布。通過數字控制，還可以快速改變電磁力的分布，驅動結構進行連續的變形，從而生成一系列目標形狀。

對于結構較為復雜、物理環境不太理想的情況，課題組發展了基于三維成像、反饋控制以及優化算法結合的數據驅動方法，可讓結構自發演化成為目標形狀。

通過這兩種策略，能讓結構在一定范圍內實現指定的任意變形過程。近日，相關論文以《具有自我進化形狀變形的動態可重新編程表面》（A dynamically reprogrammable surface with self-evolving shape morphing）為題發表在Nature上，白云擔任第一作者，王禾翎、倪小越、美國西北大學約翰·羅杰斯（John A. Rogers）教授、美國西北大學黃永剛教授擔任共同通訊作者。

本文審稿人之一南洋理工大學機械與航空航天工程學院Guo Zhan Lum教授（論文發表后公開了審稿人身份）認為，該工作展現了形狀可重編程軟物質的重要進展。對于這種超表面來說，它非常值得關注的特征便是可以精確、快速產生大量三維形狀，并具有很好的魯棒性。

即使出現內部或外部擾動時，這一超表面仍能變形成需要的形狀。在軟體機器人、可穿戴技術、先進材料的大量應用中，非常需要這種超表面。

本文另一位匿名審稿人認為，“反演問題”的難題借此得到了深入研究，該工作具備令人信服的理論/算法結果以及一些有趣的展示。而通過大多數形狀重構的方法，確實難以實現同樣的動態變形。

相比之下，這種表面重構的方法相當獨特。論文所采用的模型和控制方法也非常強大，并且展現了優秀的性能。

據悉，課題組在先前工作里，通過分布式電磁力驅動、或溫度驅動，使結構在制備完成后，仍能產生豐富變形的能力。

隨后，他們遇到了第一個挑戰，即前面提到的“反演問題”：也就是如何控制結構變形，以讓其成為需要的目標形狀。

研究人員先從固體力學理論模型出發，設計了具有超常規力學行為的柔性結構，建立了理論模型，實現了“反演問題”的求解，借此得以找到針對第一個挑戰的解決方案。

然而，該團隊從未在實驗上制備出過這種超柔性、又能自由變形的結構。經過大量探索，他們終于制備出所需要的結構，并在結構電磁力驅動下，實現了基于指定形狀的變形重構。

在這個階段，針對“反演問題”的求解策略，只能用于課題組構造的特殊柔性表面。而在實際應用中，則要求柔性結構具有更好的一般性和普適性。這時，要想繼續發展理論模型會十分困難，這也是課題組遇到的第二個挑戰。

為克服這一難題，他們發展了基于數據驅動的方法，通過搭建三維成像系統以及學習相關算法，實現了不依賴理論模型的“反演問題”求解策略，讓柔性結構得以自發演化成目標的形狀。

其應用場景之一，在于提供了一種關于真實物理世界的模擬方法。這種可重構的柔性結構，能夠與環境產生交互作用，可通過改變自身形態，來主動探索設計空間，從而針對某種功能的實現，來尋找優化形態。

以往，這種對于設計空間的探索，通常是在虛擬世界中開展，即基于物理模型的計算模擬。當問題背后的物理機制非常復雜時，由于計算量巨大、故很難完成這種模擬。

如果在真實物理世界中，對結構形態進行優化設計，則需要依次制備和測試不同形態的器件，耗費更加龐大。

而本次的可重構柔性結構只需制備一次，就能在同一個平臺上，測試大量的結構形態所對應的性能。在優化設計時，可以顯著減少時間、人力、物力。

同時，這種基于真實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計，并能產生前所未有的性能甚至功能。

該團隊認為，這項研究有望開創一個新的研究方向，至少值得向該目標做一定的努力。以智能手機為類比，該工作就像是提出了“智能手機”這個概念，并進行了模塊化的原理驗證。

然而，想要造出像智能手機那樣能用的器件，還需要在深度和廣度上進行大量研究。

話說回來，從基礎理論到應用層面，課題組已經全鏈條地布局了這一方向。固體力學理論是該方向的基石，就像電磁學理論在通信技術中所起的作用那樣。

而現有的固體力學理論多用于解決“正演問題”，無法直接用于其所需要解決的“反演問題”，因而需要發展相應的新理論。

在硬件技術層次上，需將本次技術中的驅動、感知、控制、供能、運算等模塊，進行小型化、集成化和高性能化，并像智能手機不斷更新性能。

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

最后，在應用層次上，該團隊打算在柔性微波通訊、變體機器/飛行器等時間尺度發揮關鍵作用的應用場景中，對人造結構的性能予以提高。

這次成果的誕生，也讓論文作者們感觸頗深。擔任論文通訊作者的倪小越表示：“我從博士后期開始，就一直夢想能做出可以自行演化的智能材料。項目一開始，我們并沒有想過自演化這個方向。

一開始，我們使用三維重構的目的，是想用來定量我們的變形結果。實現動態三維重構之后，很自然想到了基于原位表征和重構材料的自演化可能性，于是有了后面一系列最主要的成果。”

事實上，倪小越的學科背景更偏材料力學。但在本次研究期間，她開始接觸到計算機視覺和計算機圖形學，并發現計算機科學與材料力學的相通之處。

此外，對于優化和控制問題的研究，也讓她開始接觸到柔性機器人領域。其表示：“對我來說，這個研究為我打開了很多新的科研方向的大門。”

同樣擔任通訊作者的王禾翎，其學科背景是固體力學。在該專業中人們一般認為，當結構發生顯著的形狀變化時，所面臨的物理規律比較復雜。通常，很難在復雜形狀和驅動力之間建立簡單的定量關系。

“因此，在項目開展的很長一段時間內，我們并沒有去考慮建立理論模型。在其他研究工作中，我們發現一類結構具有超常規的簡潔力學行為，從而啟發我們在此次項目中嘗試這類結構。

結果發現，其形狀變化與驅動力之間的關系，遵循非常簡單的線性關系，這是我們項目中的一個驚喜。”王禾翎表示。

另據悉，在王禾翎博后臨近結束時，恰好清華大學在籌建柔性電子技術國家級重點實驗室。相比傳統的科研機構，該實驗室在運行模式上具備更大創新性，通過承接國家重大任務，推動高校與地方政府、工業部門深度合作，打通原始創新成果到產業應用轉化的路徑。

王禾翎說道：“我們本次工作是基礎研究，最終形成應用往往需要很多年的時間。而柔性電子技術國重實驗室的這種模式創新，有望顯著縮短基礎研究形成應用的所需時間。我認為加入柔性電子技術國重實驗室對我是一個很好的機會。”

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