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近日，北卡州立大學尹傑、蘇浩和李豔濱團隊，透過巧妙地將多穩態與可重構方塊空間機構相結合，設計出了一種兼具資訊易編輯、高密度資訊儲存，以及穩定資訊儲存的可再程式設計超結構機械計算平臺。該平臺支援任意區域性資訊手動或遠端磁力再擦寫以及迅速全盤格式化；可儲存二進位制以及高進位制（比如四進位制與六進位制等）資訊；在受到外界干擾下，依然能穩定地儲存資訊。還能用於基於立體畫素（voxel）的圖形以及資訊顯示，資訊加密與解密，以及多種邏輯閘計算等。
北京時間2024年6月27日，論文以“Reprogrammable and reconfigurable mechanical computing
metastructures with stable and high-density memory”為題線上發表在 Science Advances 雜誌上。
metastructures with stable and high-density memory”為題線上發表在 Science Advances 雜誌上。
可重構、多穩態超結構機械計算平臺
平臺類似一塊由多個剛性小方塊拼接成的厚板（圖1A-1B）。小方塊由彈性線鉸鏈巧妙連線（圖1B）形成多級可重構空間機構單元（圖1A-1B）。
圖1：基於空間分岔機構能穩定儲存高密度、展示、處理資訊的多穩態機械超結構平臺。
不可變形空間連桿機構與可彎折變形的彈性鉸鏈結合相得益彰，形成兼具機構可重構和結構可多穩態特徵的平面超結構（planar metastructure）。簡單小幅面內預拉伸厚板超結構（小於10%），可形成周期性微凸多穩態構型。在保持拉伸預應變情況下，各個凸起部分變成雙穩態單元。在面外拉伸下（比如機械力或磁力驅動），各個單元可以獨立地越過不穩態，突跳到另一個明顯凸起的穩態（圖1A-ii-iii），實現從‘0’到‘1’的二進位制資訊的切換。有趣的是，該不穩態構型正好對應機構的運動分岔（kinematic bifurcation）點，此時方塊的轉動角達到45度。
影片1：手動展示簡單拉伸形成雙穩態單元以及釋放預應力形成穩定結構
隨後，當需要儲存寫入資訊時，只需要釋放拉伸預應力並輕微面內壓縮成無縫隙平臺即可。當再次受到面外拉伸或壓縮時，結構可以保持穩定，免於外界干擾，從而實現資訊的穩定儲存。由於各個雙穩態單元在狀態轉換中相互獨立互不影響，可以任意地實現海量資訊的寫入與儲存（01矩陣代表儲存的資訊，圖1C）。
影片2：多穩態機械超結構厚板在磁驅動下擦寫資訊與儲存資訊展示
當需要編輯時，只需再次稍微拉伸厚板即可對單元任意擦寫，繼續拉伸可以“一鍵”全盤格式化。在運動分岔點，原本單自由度結構變成多自由度，可以再次重構成其它構型，比如多級金字塔結構等（圖1C-iv）。有趣的是，每個方塊在高度方向上互不重疊，當把每個方塊的層高投影到底面時，可以用簡單的單一對映的平面等高線圖來代表複雜的三維結構，也可以將每個方塊所在的層高處理成高進位制，來實現多維高進位制資訊的儲存。同時，凸起部分也可以作為立體畫素來物理顯示圖形，比如笑臉以及狼頭等（圖1D）。
變形分叉機構單元與力學調控雙穩態
研究發現，在運動分岔狀態（Bifurcated
Configuration，圖2A），方塊空間機構單元從單一自由度狀態轉變為多自由度狀態，進一步衍生出多個變形相容（compatible）的運動路徑。在構造的週期性結構中，該分叉變形特性不僅可使得週期性超結構具備更多的區域性變形單元，還使得各個變形結構可獨立變形而不互相影響。
Configuration，圖2A），方塊空間機構單元從單一自由度狀態轉變為多自由度狀態，進一步衍生出多個變形相容（compatible）的運動路徑。在構造的週期性結構中，該分叉變形特性不僅可使得週期性超結構具備更多的區域性變形單元，還使得各個變形結構可獨立變形而不互相影響。
圖2：具有分岔變形特性的雙穩態分形機構單元。
研究團隊進一步發現，預拉伸結構單元至變形分岔結構狀態前，以及同時引入可轉動不可拉伸邊界條件（圖2B）後，該分形機構單元可實現雙穩態變形特性。研究團隊發現，該雙穩態變形特性需調控結構單元邊界以及內部扭轉軸剛度至一定範圍內才能實現（圖2C）。當邊界扭轉剛度遠大於內部連線扭轉剛度（至少200倍）以及預拉伸應變較小時（小於10%），隨著剛度比增加或預拉伸應變減小時，雙穩態會更加明顯（圖2C）。
穩定及高密度資訊儲存
研究發現，透過預拉伸，週期性結構中產生出可作為結構畫素的區域性變形單元（圖3A）。考慮到雙穩態變形特性，區域性單元可透過簡單面外拉伸實現從變形穩定狀態1向變形穩定狀態2的轉變。以此為基礎實現二進位制資訊儲存（“0”到“1”）。優於當前其他研究，研究團隊發現，該週期結構儲存的資訊可以透過釋放邊界拉伸，使得儲存資訊的週期結構進一步變形到無縫隙結構狀態。該結構狀態受地表摩擦以及結構相互支撐限制條件下可以抵抗超過2MPa的外力干擾（圖3D），以此表現出超強結構穩定性。
受益於區域性單元的獨立變形特性，該週期結構可透過組合變形方式儲存大容量資訊（圖3B-C）。除此之外，研究團隊發現，繼續拉伸處於第二穩態的區域性變形單元，該週期結構可變形出具有多重不重疊高度的結構畫素以進一步儲存非二進位制資訊結構（圖3E-G）。以此，透過組合變形以及多級變形方式，該工作較於之前的研究可儲存更高密度的資訊。
圖3：具有穩定儲存高密度資訊的超結構。
機械智慧：機械計算，資訊處理-展示、加密
研究發現，除了資訊儲存基本功能外，該工作設計的結構還可以實現包括資訊處理（圖4A），資訊展示（圖4B），以及機械邏輯閘計算（圖4C）等更多機械智慧功能。在驅動方面，該研究論證了透過外磁場方式的簡單有效的驅動方式以實現區域性結構單元的雙穩態變形。比如圖4A顯示的在同一個平臺磁驅動下擦寫儲存的NCSU四個字元，圖4B展示設計凸起圖案來加密資訊，與電子顯示器以及位移感測器結合來顯示加密以及解密資訊等，以及圖4C展示的利用空間關係實現基本的與非門等邏輯閘計算等。
圖4：可進行機械計算，信心加密處理，資訊展示的機械智慧超結構。
影片3：資訊加密與顯示
展望
該工作利用空間變形機構來簡化超結構實現多穩態變形方式。該原理可推廣至其他超材料，超結構以及摺紙和剪紙為基礎的結構設計。此結構無需複雜的非線性幾何變形，大大簡化了設計結構的可控性。未來此結構還可進一步應用於設計可重構智慧觸控器件，以及機器人自主控制系統。
北卡州立大學尹傑與蘇浩為該論文共同通訊作者，博士後李豔濱博士為論文第一作者，其它作者還包括博士後於雙悅博士，博士研究生清海濤，洪堯燁博士, 趙耀博士以及博士研究生漆方傑。
Y. Li, S. Yu, H. Qing, Y. Hong, Y. Zhao, F. Qi, H. Su, J. Yin, “Reprogrammable and reconfigurable mechanical computing metastructures with stable and high-density memory”, Science Advances, 10, eado6476 (2024),
https://doi.org/10.1126/sciadv.eado6476
團隊介紹
尹傑團隊(https://jieyin.wordpress.ncsu.edu/)目前致力於力學、智慧材料以及智慧結構在軟體機器人、機械超材料、以及多功能形變節能材料上的基礎以及應用研究。近期代表性原創成果包括：
軟機器人方向：
自主智慧軟機器人 (Qi et al., PNAS, 121, e2312680121, 2024; Zhao et al., Sci. Adv., 9, eadi3254, 2023; Zhao et al., PNAS, 119, e2200265119, 2022; Zhao et al., Adv. Mater. 202207372, 2022);
3D列印形狀記憶迷你液壓軟碟機動器（Qing et al., Adv. Mater., 2402517, 2024）;
無損傷剪紙機械手(Hong et al., Nat. Commun. 14, 4625, 2023);
快速高效蝶泳軟機器人(Chi et al., Sci. Adv., 8, eadd3788, 2022);
仿獵豹奔騰軟機器人(Tang et al., Sci. Adv., 6, eaaz6912, 2020);
機械超材料方向：
可重構機械計算超結構（Li et al., Sci. Adv., 10, eado6476, 2024）;
三維形變剪紙（Hong et al., Nat. Commun. 13, 530, 2022）；
三維立體模組剪紙超材料（Li et al., Adv. Funct. Mater., 2105461, 2021; Li et al., Mater. Today Phys., 100511, 2021）;