UCLA金丽华课题组AISY.：不依赖芯片可实现时序控制吗？基于粘弹性壳失稳的形貌时序可编程表面

摘要：UCLA金丽华课题组设计出一种具有时空可编程性的可重构表面。该表面由许多粘弹性壳单元按阵列排布而成。每一个壳单元可在气压载荷下凹陷，卸载后壳的回弹时间受壳几何以及材料粘弹性的控制。将具有不同回弹时间的壳单元组合起来，形成形貌图案及摩擦力按照预定时序变化的功能表面。

关键词：粘弹性壳，伪双稳态，时空编程，气压驱动，可重构

如果不依赖机电控制系统，是否可以动态控制一个表面的形貌呢？通过观察大自然，我们可以发现不少这样的例子。许多动物都可以动态调节皮肤形貌来实现运动、传递信号以及伪装等功能。比如，蛇通过主动调节皮肤鳞片的角度，来获得在复杂地形上运动所需的摩擦力。作为自然界的伪装大师，章鱼可以自适应调节皮肤的形貌，使其在海底运动过程中，与千变万化的海床融为一体。

然而，人工实现表面形貌的动态控制是非常困难的。最直接的实现方法是使用包含电源、电机\泵，以及芯片等的机电系统。通过对芯片的编程，实现对电机\泵等驱动器的时序控制，从而驱动表面实现指定的形貌变化。而过多电子器件的使用会使整个系统变得复杂，导致系统稳定性变差。另一种实现表面形貌动态控制的方法是将不同时序响应的刺激响应单元嵌入到材料中，使表面形貌在给定刺激下按预定时序变化。这样做的缺点是，材料一旦制备完成，表面形貌的时序变化无法修改。因此，设计形貌的时序变化可编程、不依赖于芯片控制、以及可重构的表面仍然困难重重。

为此，加州大学洛杉矶分校（UCLA）金丽华教授课题组提出一种设计形貌时序可编程、不依赖芯片控制、可重构功能表面的一般方法。该表面由动态响应广泛可调的单元构成。这些单元按照预定的形貌时序组装成为功能表面，并可根据新的形貌时序重构成新的功能表面。相关结果发表在Advanced Intelligent Systems上。

作为展示，文中以粘弹性壳作为单元构建功能表面。该壳结构具有凸起和凹陷两个形态，类比于章鱼皮肤触头的突出和缩回。在气压载荷下，粘弹性壳会由凸起态变为凹陷态。去掉载荷后，根据几何和粘弹性的不同，有些凹陷的壳会立刻恢复成凸起态（单稳壳），有些可以保持凹陷态（双稳壳），还有些可以延迟一段时间才恢复成凸起态（伪双稳壳）。其恢复时间可通过改变几何和粘弹性参数实现较大范围的调节。将不同恢复时间的壳组合在一起，可构建预定形貌变化的功能表面。同时可通过对壳单元的重组，实现新的形貌时序变化。所构建的功能表面可实现形貌图案（数字和表情符号）以及摩擦力按照预定时序变化。

所提出的形貌时序可编程功能表面的设计方法具有广泛的应用潜力。比如，该功能表面可为下一代智能反射屋顶提供设计思路。该屋顶可对其表面的形貌时序进行编程，使得太阳光在早上和晚上的反射程度低，在中午的反射程度高，从而达到均衡热辐射的目的。此外，该方法还可设计出针对浸润性、粘接性、电\热导率时空可编程的功能表面。