海归学者发起的公益学术平台
分享信息，整合资源
交流学术，偶尔风月
不同于基于电子元件的电子计算机，机械计算机（Mechanical Computer）依靠机械传动机构（比如连杆和齿轮等）来完成计算。其历史可追溯至19世纪，远早于电子计算机的发明。受限于刚性机构不可变形特性，传统机械计算机的设计通常复杂且臃肿，且局限于机械计算和信息存储等功能。近年来，可变形智能结构（比如双稳态或多稳态柔性机构）和智能材料研究方兴未艾，为机械计算机注入了新的活力。新一代机械计算机也更加智能化，有望实现信息存储、信息处理、信息加密与解密、环境交互，和类机器人功能（自我感知、学习和进化）等。然而，如何实现类似电子计算机方便编辑、擦写信息的同时，还能克服电子信息存储局限（易受外界干扰丢失信息比如震动、冲击等机械外力以及外在场力如磁力等干扰），成为了一个亟待解决的难题。
近日，北卡州立大学尹杰、苏浩和李艳滨团队，通过巧妙地将多稳态与可重构方块空间机构相结合，设计出了一种兼具信息易编辑、高密度信息存储，以及稳定信息存储的可再编程超结构机械计算平台。该平台支持任意局部信息手动或远程磁力再擦写以及迅速全盘格式化；可存储二进制以及高进制（比如四进制与六进制等）信息；在受到外界干扰下，依然能稳定地储存信息。还能用于基于立体像素（voxel）的图形以及信息显示，信息加密与解密，以及多种逻辑门计算等。
北京时间2024年6月27日，论文以“
Reprogrammable and reconfigurable mechanical computing
metastructures with stable and high-density memory
”为题在线发表在
Science Advances
杂志上。
可重构、多稳态超结构机械计算平台
平台类似一块由多个刚性小方块拼接成的厚板（图1A-1B）。小方块由弹性线铰链巧妙连接（图1B）形成多级可重构空间机构单元（图1A-1B）。
图1：基于空间分岔机构能稳定存储高密度、展示、处理信息的多稳态机械超结构平台。
不可变形空间连杆机构与可弯折变形的弹性铰链结合相得益彰，形成兼具机构可重构和结构可多稳态特征的平面超结构（planar metastructure）。简单小幅面内预拉伸厚板超结构（小于10%），可形成周期性微凸多稳态构型。在保持拉伸预应变情况下，各个凸起部分变成双稳态单元。在面外拉伸下（比如机械力或磁力驱动），各个单元可以独立地越过不稳态，突跳到另一个明显凸起的稳态（图1A-ii-iii），实现从‘0’到‘1’的二进制信息的切换。有趣的是，该不稳态构型正好对应机构的运动分岔（kinematic bifurcation）点，此时方块的转动角达到45度。
视频1：手动展示简单拉伸形成双稳态单元以及释放预应力形成稳定结构
随后，当需要保存写入信息时，只需要释放拉伸预应力并轻微面内压缩成无缝隙平台即可。当再次受到面外拉伸或压缩时，结构可以保持稳定，免于外界干扰，从而实现信息的稳定存储。由于各个双稳态单元在状态转换中相互独立互不影响，可以任意地实现海量信息的写入与存储（01矩阵代表储存的信息，图1C）。
视频2：多稳态机械超结构厚板在磁驱动下擦写信息与保存信息展示
当需要编辑时，只需再次稍微拉伸厚板即可对单元任意擦写，继续拉伸可以“一键”全盘格式化。在运动分岔点，原本单自由度结构变成多自由度，可以再次重构成其它构型，比如多级金字塔结构等（图1C-iv）。有趣的是，每个方块在高度方向上互不重叠，当把每个方块的层高投影到底面时，可以用简单的单一映射的平面等高线图来代表复杂的三维结构，也可以将每个方块所在的层高处理成高进制，来实现多维高进制信息的存储。同时，凸起部分也可以作为立体像素来物理显示图形，比如笑脸以及狼头等（图1D）。
变形分叉机构单元与力学调控双稳态
研究发现，在运动分岔状态（Bifurcated
Configuration，图2A），方块空间机构单元从单一自由度状态转变为多自由度状态，进一步衍生出多个变形相容（compatible）的运动路径。在构造的周期性结构中，该分叉变形特性不仅可使得周期性超结构具备更多的局部变形单元，还使得各个变形结构可独立变形而不互相影响。
图2：具有分岔变形特性的双稳态分形机构单元。
研究团队进一步发现，预拉伸结构单元至变形分岔结构状态前，以及同时引入可转动不可拉伸边界条件（图2B）后，该分形机构单元可实现双稳态变形特性。研究团队发现，该双稳态变形特性需调控结构单元边界以及内部扭转轴刚度至一定范围内才能实现（图2C）。当边界扭转刚度远大于内部连接扭转刚度（至少200倍）以及预拉伸应变较小时（小于10%），随着刚度比增加或预拉伸应变减小时，双稳态会更加明显（图2C）。
稳定及高密度信息存储
研究发现，通过预拉伸，周期性结构中产生出可作为结构像素的局部变形单元（图3A）。考虑到双稳态变形特性，局部单元可通过简单面外拉伸实现从变形稳定状态1向变形稳定状态2的转变。以此为基础实现二进制信息存储（“0”到“1”）。优于当前其他研究，研究团队发现，该周期结构存储的信息可以通过释放边界拉伸，使得存储信息的周期结构进一步变形到无缝隙结构状态。该结构状态受地表摩擦以及结构相互支撑限制条件下可以抵抗超过2MPa的外力干扰（图3D），以此表现出超强结构稳定性。
受益于局部单元的独立变形特性，该周期结构可通过组合变形方式存储大容量信息（图3B-C）。除此之外，研究团队发现，继续拉伸处于第二稳态的局部变形单元，该周期结构可变形出具有多重不重叠高度的结构像素以进一步存储非二进制信息结构（图3E-G）。以此，通过组合变形以及多级变形方式，该工作较于之前的研究可存储更高密度的信息。
图3：具有稳定存储高密度信息的超结构。
机械智能：机械计算，信息处理-展示、加密
研究发现，除了信息存储基本功能外，该工作设计的结构还可以实现包括信息处理（图4A），信息展示（图4B），以及机械逻辑门计算（图4C）等更多机械智能功能。在驱动方面，该研究论证了通过外磁场方式的简单有效的驱动方式以实现局部结构单元的双稳态变形。比如图4A显示的在同一个平台磁驱动下擦写保存的NCSU四个字符，图4B展示设计凸起图案来加密信息，与电子显示器以及位移传感器结合来显示加密以及解密信息等，以及图4C展示的利用空间关系实现基本的与非门等逻辑门计算等。
图4：可进行机械计算，信心加密处理，信息展示的机械智能超结构。
视频3：信息加密与显示
展望
该工作利用空间变形机构来简化超结构实现多稳态变形方式。该原理可推广至其他超材料，超结构以及折纸和剪纸为基础的结构设计。此结构无需复杂的非线性几何变形，大大简化了设计结构的可控性。未来此结构还可进一步应用于设计可重构智能触控器件，以及机器人自主控制系统。
北卡州立大学
尹杰
与
苏浩
为该论文共同通讯作者，博士后李艳滨博士为论文第一作者，其它作者还包括博士后于双悦博士，博士研究生清海涛，洪尧烨博士, 赵耀博士以及博士研究生漆方杰。
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
团队介绍
尹杰团队(https://jieyin.wordpress.ncsu.edu/)目前致力于力学、智能材料以及智能结构在软体机器人、机械超材料、以及多功能形变节能材料上的基础以及应用研究。近期代表性原创成果包括：
软机器人方向：
自主智能软机器人 (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打印形状记忆迷你液压软驱动器（Qing et al., Adv. Mater., 2402517, 2024）;
无损伤剪纸机械手(Hong et al., Nat. Commun. 14, 4625, 2023);
快速高效蝶泳软机器人(Chi et al., Sci. Adv., 8, eadd3788, 2022);
仿猎豹奔腾软机器人(Tang et al., Sci. Adv., 6, eaaz6912, 2020);
机械超材料方向：
可重构机械计算超结构（Li et al., Sci. Adv., 10, eado6476, 2024）;
三维形变剪纸（Hong et al., Nat. Commun. 13, 530, 2022）；
三维立体模块剪纸超材料（Li et al., Adv. Funct. Mater., 2105461, 2021; Li et al., Mater. Today Phys., 100511, 2021）;
