动图 | 仿含羞草模型的触碰闭合行为（来源：何清波）
小小含羞草，启示一篇高 IF 期刊论文。提及此事，论文通讯作者上海交通大学机器系统与振动国家重点实验室教授何清波不禁感慨：科研（刺激相应超材料）来源于生活（含羞草），而又高于生活（含羞草），究竟要做事于生活（信息传感、打算和通信）。
图 | 何清波（来源：何清波）
2021 年 12 月 17 日，该论文以《信息驱动弹性动力学编程的刺激相应超材料》（Stimuli-responsive metamaterials with information-driven elastodynamics programming）为题揭橥在 Cell 姊妹刊 Matter 上[1]。
图 | 干系论文（来源：Matter）
首次提出信息驱动的弹性动力学编程观点如下图，该团队首次提出信息驱动的弹性动力学编程观点，创造出一种构造振动感知信息的新办法。论文作者均来自该校，一作是博士生李崇，通讯作者是彭志科教授和何清波教授。
图 | 信息驱动弹性动力学编程的刺激相应超材料（来源：Matter）
据先容，作为一种对外界环境刺激表现出适应性功能反应的能力，生物的刺激相应性广泛存在于大自然中。比如，当感知到环境振动时，含羞草会由于自适应而合拢；当感知到环境湿度时，松果会由于自适应而变形......
这种生物的刺激相应性，启示了科学家对付功能型智能材料的研究。此前，已有不少刺激相应性材料，碰着外部刺激时，它们会改变物理性子、或化学性子来做出相应，比如改变形状、颜色或硬度等。
不过，此前研究仍紧张采纳可编程的弹性静力学特性，去对功能型形态变革做以设计。在刺激相应材料系统中，如何实现弹性动力学特性的可编程，仍是待解难题。而在构建全材料仿生智能系统的探索中，占领上述难题可带来主要意义。
基于此，何清波和团队设计出一种仿生刺激相应超材料，该材料具备信息驱动弹性动力学编程的能力，借助仿照含羞草叶片的刺激闭合行为，即可通过感知环境变革做出刺激相应。
据先容，信息驱动弹性动力学编程的观点系第一次提出，它详细指的是：当外部刺激信息以弹性动力学特性的形式，编程写入超材料系统，即可解码和读取系统中传输的弹性波信息。
这次提出的刺激相应弹性超材料，由形状影象谐振器构成。在环境刺激下，它的构造状态会发生自适应闭合，其局域共振状态也会从无序态变为有序态。
动图 | 自适应的无序-有序状态转换系统（来源：何清波）
据此，何清波等人提出“自适应无序—有序共振转换”的动力学理论，设计出具有不同共振状态的超材料单胞，进而布局出多种超材料超胞，终极搭建出刺激相应超材料网络系统。
当碰着环境信息刺激时，超材料网络节点的局域共振状态，不仅会发生转变，而且被自适应地编程到全体系统网络的全局动力学相应中，借此即可实现信息驱动的弹性动力学编程。
提出“自适应无序—有序共振转换”动力学系统，并构建自适应超材料网络回顾研究过程，何清波总结称：仿生设计、理论建模和性能验证，是该事情的三大研究步骤。
在仿生设计这一步，为仿照含羞草的自适应闭合动作，在刺激相应超材料叶片的设计中，该团队利用了变形驱动器。驱动器由智能材料制成，可通过实现预先设计的形态变革，来相应外部刺激。
这种构造设计的好处在于，未碰着外部刺激时，超材料叶片处于打开状态；碰着外部刺激时，微开关即可被触发，进而让温度升高，这时驱动器就会变形，借此实现超材料叶片的刺激相应闭合。
图 | 仿含羞草的刺激相应超材料设计。（A）自然界的含羞草处于打开状态；（B）受外界刺激，含羞草闭合；（C）超材料叶片处于打开状态；（D）超材料叶片感知外界刺激发生闭合；（E）和（F）分别显示打开和闭合状态下超材料单元的细节（来源：Matter）
在理论建模这一步，须要对超材料的弹性动力学特性进行表征，并给它的参数化设计供应物理根本。为此，何清波和团队提出上述“自适应无序—有序共振转换”的动力学系统。
（来源：何清波）
所采纳的物理机制在于：当自适应叶片闭合时，会产生特定的动力学传输带隙，这时动力学状态就会从无序共振状态，转换到有序共振状态，而这十分有利于实现超材料信息驱动的弹性动力学编程。
也便是说，利用不同超材料构造，比如网络构造、立方体构造和球形构造，就能以信息驱动的办法，来编程刺激相应超材料的动力学状态。
图 | 自适应的无序-有序共振转换动力学系统。（A）超材料的动力学理论建模示意图；（B）解析方法推导超材料的动力学等效质量；（C）超材料能带剖析；（D）无序-有序共振模态仿真；（E）数值方法剖析超材料的动力学频响传输；（F）九种不同尺寸下的动力学仿真剖析；（G）仿真和实验剖析超材料的频响传输特性（来源：Matter）
在性能验证这一步，出于实现信息驱动的弹性动力编程的目的，他们构建出一个自适应的超材料网络。借助尺寸不同的超材料叶片，该网络可布局出超材料超胞，还能以网络节点的空间构型，搭建出超材料网络系统。
在节点碰着外部刺激时，对应的超胞也会以自适应的办法，转换到有序共振状态，并能编程到超材料网络的全局动力学传输中。
这种信息驱动的可编程性，让通过剖析自适应实时传输弹性波相应、去感知受刺激的节点成为现实，超材料系统的机器式读写操作也得以实现。
图 | 具有刺激信息本体感想熏染的超材料网络。（A）刺激相应超材料网络的模型图；（B）超材料网络的动力学建模；（C）超材料网络在受到刺激和无刺激下的动力学特性；（D）和（E）分别为超材料受四节点和五节点刺激的实验结果；（F）超材料网络动力学传输的细节（来源：Matter）
有望将智能设备从繁芜硬件系统中解放出来在完成性能验证事情之后，何清波和团队进一步挖掘干系运用潜力。他们创造，借助信息驱动的弹性动力学编程观点，一种全新的机器式读写操作得以出身，全材料构造下刺激信息的本体感想熏染也得到实现。
借助对振动刺激信息的感知，有望在刺激信息交互（如命令输入、交互通信和机器人操作等）、感知编码打算（如全材料键盘，智能打算器等）和物联网物理加密（如上岸权限认证，信息传输加密等）等领域，带来干系运用潜力。
另据悉，该成果或可给全材料智能系统带来新机遇，并对信息感知设备的设计，比如传感、打算和通信等产生主要意义。届时，智能设备也将从繁芜硬件系统中解放出来。
图 | 信息交互、感知编码和物理加密的运用展示。（A）信息交互的示意图；（B）交互图案的实现；（C）感知编码的示意图；（D）和（E）分别为感知编码加法打算和乘法打算的实现；（F）物理加密的示意图；（G）四种加密信息的演示（来源：Matter）
科研事情也会面临取舍和决议何清波还总结称，科研事情也会面临取舍和决议。在该事情初期，他和团队做了两个超材料网络，除了揭橥出来的信息感知网络，还有一个自适应振动掌握网络。
他说：“那个也挺故意思的，但是为了统一主题，更好地突出事情的展示度，就没有在论文中表示自适应振动掌握网络的内容。借此我们也再次领略到科研的真正魅力，即思想要走在前面，打破自身思维框架，学会化繁为简，形成原创性和自己的特色，把最好的一壁展示给大家。”
未来，他将进一步借助高端加工制备技能、前辈功能材料和智能处理算法，研制干系的智能超材料器件，致力于办理工业装备及物联网领域的动力学难题。
总体来说，目前针对振动信息的智能处理技能，开展智能超材料器件研制的根本研究还处于起步阶段，尚有很多基本问题须要研究办理。
在智能超材料器件研制领域，他和团队打算结合超材料对弹性波的灵巧调控和智能感知，实现具有超高精度和超高效率信息处理的智能超材料器件，进一步打破传统振动信息处理技能的难题。
末了何清波表示：“这既是一项具有广泛意义的根本研究，也是一项极具前瞻性的创新型研究，将会做事于智能化妆备的动力学设计与变革性发展。”
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参考：
1、Chong Li, Zhike Peng and Qingbo. He, "Stimuli-responsive metamaterials with information-driven elastodynamics programming", Matter, https://doi.org/10.1016/j.matt.2021.11.031.
