簡(jiǎn)訊

清華大學(xué)研制出強(qiáng)韌、抗疲勞3D打印水凝膠

近年來(lái)，基于數(shù)字光處理（DLP）技術(shù)的可3D打印聚丙烯酰胺水凝膠具有較高的打印分辨率和高度的可拉伸特性，但模量、強(qiáng)度、斷裂能和疲勞閾值較低。因此，需要發(fā)展一種基于DLP 技術(shù)的可3D打印水凝膠的強(qiáng)韌化方法。

近日，清華大學(xué)航天航空學(xué)院李曉雁教授和南方科技大學(xué)葛锜副教授團(tuán)隊(duì)向可3D打印水凝膠前驅(qū)體溶液中引入芳綸納米纖維（ANF），在紫外光下固化后得到了ANF增強(qiáng)的水凝膠復(fù)合材料。與未增強(qiáng)的水凝膠相比，僅引入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%的ANF，即可使水凝膠的模量提高約30倍，強(qiáng)度、斷裂能和疲勞閾值提高約一個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)還能夠保持較高的斷裂伸長(zhǎng)率。ANF增強(qiáng)的水凝膠復(fù)合材料具有較高的打印分辨率和良好的生物相容性，并且在加入電解質(zhì)后具有導(dǎo)電性，能夠作為生物體內(nèi)的柔性電子器件進(jìn)行應(yīng)用。相關(guān)研究以Strong,tough, fatigue-resistant and 3D-printable hydrogel composites reinforced by aramid nanofibers為題發(fā)表在Materials Today上。

掃描電鏡和紅外光譜表征結(jié)果表明，在ANF和水凝膠鏈之間形成了額外交聯(lián)點(diǎn)以及大量的氫鍵，同時(shí)較長(zhǎng)的ANF與水凝膠鏈纏結(jié)，并由于親水性不同產(chǎn)生相分離。而斷裂能的提高則主要與長(zhǎng)鏈纏結(jié)和大量氫鍵的能量耗散機(jī)制有關(guān)。

團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種壓力傳感器模型，并通過(guò)3D打印設(shè)備制備得到了此結(jié)構(gòu)。對(duì)壓力傳感器施加10000周疲勞加載，同時(shí)測(cè)量其加載方向的應(yīng)力和兩端之間的電阻變化，結(jié)果表明，可導(dǎo)電的水凝膠復(fù)合材料的應(yīng)力與電阻同步變化，并且具有穩(wěn)定的力學(xué)性能和電學(xué)性能。此研究為改善基于DLP的3D打印水凝膠的力學(xué)性能提供了一個(gè)普遍而有效的策略。下圖為用質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3% ANF的水凝膠復(fù)合材料3D打印得到的點(diǎn)陣單胞結(jié)構(gòu)及拉伸加載圖像。 （本刊記者 大漠）

自動(dòng)化所研發(fā)出全脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的類腦認(rèn)知智能引擎

近日，中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所研究員曾毅團(tuán)隊(duì)打造出全脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的類腦認(rèn)知智能引擎（Brain-inspired cognitive intelligence engine，簡(jiǎn)稱BrainCog，“智脈”），為探索面向通用人工智能的類腦智能研究提供基礎(chǔ)性支撐。

“智脈”以多尺度生物可塑性原理為基礎(chǔ)，支持全脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模，具備腦啟發(fā)的人工智能模型及腦功能和結(jié)構(gòu)模擬能力，為類腦人工智能和計(jì)算神經(jīng)科學(xué)的研究提供了一套相對(duì)完整、系統(tǒng)化的接口組件，包括不同精細(xì)程度的神經(jīng)元計(jì)算模型、豐富的類腦學(xué)習(xí)與可塑性法則、不同的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)連接模式、多樣的編碼方式、豐富的功能性腦區(qū)模型及軟硬件協(xié)同系統(tǒng)。

目前，“智脈”在感知與學(xué)習(xí)、知識(shí)表征與推理、決策、社會(huì)認(rèn)知、發(fā)育演化等方面已取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。在軟硬件協(xié)同方面，科研團(tuán)隊(duì)研制并發(fā)布了基于FPGA的類腦脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器“智脈·螢火”（BrainCog Firefly），從硬件層面提升了脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在邊緣設(shè)備上的推理性能，在基于脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能車自主視覺(jué)定位導(dǎo)航、基于事件相機(jī)的無(wú)人機(jī)高速避障、機(jī)器人環(huán)境探索與復(fù)雜任務(wù)自適協(xié)同等現(xiàn)實(shí)任務(wù)中具有較大應(yīng)用潛力。

基于“智脈”框架，科研團(tuán)隊(duì)開發(fā)了致力于獲得通用認(rèn)知能力的脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)人工智能引擎“創(chuàng)生”（BORN），集成了感知與學(xué)習(xí)、工作記憶、長(zhǎng)時(shí)記憶、知識(shí)表征和推理、運(yùn)動(dòng)控制、注意力和意識(shí)、共情、社會(huì)認(rèn)知等大腦認(rèn)知功能。

下圖為類腦認(rèn)知智能引擎“智脈”的計(jì)算組件與應(yīng)用。（本刊記者 大漠）

理論物理所在軟物質(zhì)物理的理論研究中取得進(jìn)展

液晶彈性體的宏觀形狀變化與其內(nèi)部微觀液晶單元指向之間的耦合，使得通過(guò)調(diào)節(jié)液晶彈性體內(nèi)部液晶單元的取向序進(jìn)行機(jī)械做功成為可能。液晶分子排列良好的單疇液晶彈性體具有優(yōu)秀的機(jī)械性能，如可逆的大應(yīng)變變形、高強(qiáng)度和優(yōu)異的韌性等。然而，由于隨機(jī)淬火效應(yīng)難以實(shí)現(xiàn)液晶單元的均一排列，以及該材料的不可回收性，液晶彈性體至今無(wú)法在工業(yè)中廣泛應(yīng)用。為了克服上述困難，鍵交換型液晶彈性體在2014年被成功制備。與液晶彈性體中交聯(lián)鍵能壘較高導(dǎo)致交聯(lián)鍵較難重組不同，鍵交換型液晶彈性體中的鍵交換反應(yīng)速率可通過(guò)加入催化劑和改變溫度等手段調(diào)節(jié)。盡管現(xiàn)階段在制備不同的鍵交換型液晶彈性體方面取得了試驗(yàn)進(jìn)展，但缺乏探討此類液晶彈性體物理特性的理論框架。而構(gòu)建此理論的主要困難在于動(dòng)態(tài)演化的向列序、聚合物材料的熵彈性和鍵交換反應(yīng)引起的能量耗散等多種物理因素耦合。

近日，中國(guó)科學(xué)院理論物理研究所孟凡龍課題組通過(guò)考慮微尺度鍵交換反應(yīng)，構(gòu)建了鍵交換型液晶彈性體的連續(xù)體理論模型，揭示了鍵交換型液晶彈性體在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中可能呈現(xiàn)的普適性流變學(xué)特性。

應(yīng)力遲豫：通過(guò)施加固定幅度的形變，鍵交換型液晶彈性體會(huì)在施加形變的同時(shí)產(chǎn)生向列序。此后，鍵交換型液晶彈性體的應(yīng)力會(huì)隨時(shí)間指數(shù)衰減，伴隨著向列序的序參量也隨時(shí)間呈現(xiàn)指數(shù)衰減。

固定應(yīng)變速率時(shí)的應(yīng)力–應(yīng)變關(guān)系：通過(guò)施加固定應(yīng)變速率的應(yīng)變，鍵交換型液晶彈性體的應(yīng)力–應(yīng)變曲線會(huì)呈現(xiàn)先增后減的非單調(diào)特性。由于形變與其向列序的耦合，鍵交換型液晶彈性體的應(yīng)力–應(yīng)變響應(yīng)比無(wú)向列序的類玻璃體“更軟”。

蠕變屈服：通過(guò)施加固定幅度的應(yīng)力，鍵交換型液晶彈性體會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)應(yīng)變。由于鍵交換反應(yīng)帶來(lái)的能量耗散，其應(yīng)變會(huì)隨著時(shí)間增加。通過(guò)定義有效黏度，研究發(fā)現(xiàn)其有效黏度會(huì)隨著固定應(yīng)力的增加而減小。下圖為鍵交換型液晶彈性體示意圖，其交聯(lián)鍵可通過(guò)某些化學(xué)交換反應(yīng)發(fā)生交換。

（本刊記者 大漠）

西工大研制出仿生、超靈敏、多功能的水凝膠基電子皮膚

電子皮膚可以感知外界刺激獲取環(huán)境信息，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，這項(xiàng)技術(shù)在軟體機(jī)器人、假肢設(shè)計(jì)和可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域備受關(guān)注。

近日，西北工業(yè)大學(xué)苑偉政、北京大學(xué)張海霞、中山大學(xué)吳進(jìn)合作，提出了一種仿生、超靈敏、多功能的水凝膠基電子皮膚(BHES)。BHES的表皮功能使用具有納米級(jí)皺紋的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯進(jìn)行模擬，通過(guò)接觸帶電過(guò)程中獲得/失去電子的能力，能夠準(zhǔn)確識(shí)別材料。內(nèi)部機(jī)械感受器由具有黏滑傳感能力的叉指銀電極模擬，以識(shí)別紋理/粗糙度。

通過(guò)圖案化的微錐水凝膠模擬真皮功能，實(shí)現(xiàn)了具有高靈敏度(17.32 mV/Pa)、大壓力范圍(20～5000 Pa)、低檢測(cè)限和快速響應(yīng)(10 ms)/恢復(fù)時(shí)間(17 ms)的壓力傳感器。

在深度學(xué)習(xí)的輔助下，該BHES在識(shí)別材料和紋理方面實(shí)現(xiàn)了高精度并最大限度地減少了干擾。通過(guò)集成信號(hào)采集/處理電路，展示了具有3自由度運(yùn)動(dòng)的可穿戴無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)，以及數(shù)字孿生的自供電人機(jī)交互界面。

該研究以Deeplearning enabled active biomimetic multifunctional hydrogel electronic skin為題發(fā)表在ACS Nano上。

研究引入納米級(jí)皺紋圖案PET以模仿表皮表面并產(chǎn)生接觸帶電機(jī)制。此外，采用微錐圖案的DN水凝膠作為摩擦層和導(dǎo)電電極，以提高器件的靈敏度。

設(shè)計(jì)的DN水凝膠具有出色的抗脫水和抗凍能力，出色的透明度(在可見光譜中超過(guò)85%)和電穩(wěn)定性。多功能BHES賦予機(jī)器人材料識(shí)別和紋理識(shí)別能力。在深度學(xué)習(xí)的幫助下，10種材料和4種粗糙度的識(shí)別準(zhǔn)確率分別為95.00%和97.20%。

通過(guò)將BHES與信號(hào)采集/處理電路進(jìn)一步結(jié)合，該傳感器展示了其作為人機(jī)界面的能力，通過(guò)監(jiān)控人類手勢(shì)來(lái)調(diào)節(jié)無(wú)人機(jī)的運(yùn)動(dòng)。此項(xiàng)研究可用于數(shù)字孿生和元宇宙應(yīng)用中的智能機(jī)器人，在交互式人機(jī)界面方面具有巨大潛力。

下圖為BHES的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

（本刊記者 大漠）

斯坦福設(shè)計(jì)出新型雙層磁驅(qū)動(dòng)可重構(gòu)超材料

近日，斯坦福大學(xué)趙芮可教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種新型雙層磁驅(qū)動(dòng)可重構(gòu)超材料，可以通過(guò)改變內(nèi)部結(jié)構(gòu)的形狀來(lái)調(diào)整其密度分布，同時(shí)保持總體尺寸不變。這種保持面積不變的多模態(tài)形狀重構(gòu)可被進(jìn)一步用作聲學(xué)超材料，用于調(diào)節(jié)聲波帶隙和彈性波的傳播。研究成果以Magneto-mechanical bilayer metamaterial with global area-preserving density tunability for acoustic wave regulation為題發(fā)表于Advanced Materials。

此雙層超材料可以通過(guò)調(diào)整磁場(chǎng)方向和大小顯示出4種不同的重構(gòu)模式，所有模式也可以在磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下快速切換到其他模式。通過(guò)磁場(chǎng)激活，雙層超材料展示出可靠控制的獨(dú)特響應(yīng)。由于其局部密度的變化而保持全局尺寸恒定的特性，以及無(wú)線可控的聲學(xué)帶隙特性，這種超材料可用于開發(fā)高度可調(diào)的濾波器。

通過(guò)將更小的頂層陣列（貼片）放置在底層陣列上，形成具有增強(qiáng)可編程性的雙層結(jié)構(gòu)?？煽刂祈攲雨嚵校ㄙN片）的位置、行數(shù)和列數(shù)來(lái)靈活調(diào)節(jié)超材料特性。為了解決可重構(gòu)超材料驅(qū)動(dòng)過(guò)程中總體尺寸發(fā)生顯著變化而影響其覆蓋面積，研究中提出了3種雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略：翻轉(zhuǎn)式、貼片式和偏移式。翻轉(zhuǎn)式利用其兩層的獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)的形狀變換、性質(zhì)可調(diào)性和出色的面積保持性；貼片式極大地?cái)U(kuò)展了設(shè)計(jì)空間，并可以作為可重配置的波導(dǎo)；偏移式也顯示出改善的面積保持性和性質(zhì)可調(diào)性。這些雙層磁驅(qū)動(dòng)可重構(gòu)超材料的面積保持能力和在切換帶隙模式時(shí)的超強(qiáng)調(diào)整性，使得它們?cè)谡駝?dòng)隔離、隱身及波導(dǎo)領(lǐng)域有著實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

（本刊記者 大漠）

燕大為理解高熵合金亞穩(wěn)態(tài)的物理機(jī)制提供新思路

為了更好地理解結(jié)構(gòu)材料的亞穩(wěn)特性并其優(yōu)化力學(xué)性能，燕山大學(xué)材料學(xué)院張宴會(huì)老師團(tuán)隊(duì)采用多種先進(jìn)的結(jié)構(gòu)搜索技術(shù)，探索了典型耐高溫體系Ti–Zr–Hf–Ta龐大的構(gòu)型空間和復(fù)雜的能量空間。此項(xiàng)研究以Metastable high entropy alloys of TiZrHfTa with glass-like characteristics at low temperatures為題發(fā)表在Acta Materialia上。

試驗(yàn)表明，隨著該體系中Ta含量的降低，其勢(shì)能面由典型晶體材料的深勢(shì)阱逐漸向類似于非晶材料的淺勢(shì)能面和寬能谷化發(fā)展，這很好地解釋了試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)低Ta含量時(shí)出現(xiàn)的亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)演化和馬氏體相變現(xiàn)象。此外，通過(guò)與混溶度高的Zr-Hf和混溶度低的Zr-Ta體系進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，雖然高溫下TiZrHfTa具有高構(gòu)型熵穩(wěn)定化的固溶體結(jié)構(gòu)和成分均勻性，但在低溫下，展現(xiàn)出了熱力學(xué)亞穩(wěn)性、能態(tài)多樣性、結(jié)構(gòu)靈活性，以及由Zr-Ta原子對(duì)分離誘發(fā)的局部成分和原子結(jié)構(gòu)的異質(zhì)性。這些低溫下的能量和結(jié)構(gòu)特性，常出現(xiàn)在非晶合金體系中，與混溶度較好的固溶合金截然不同。

該工作為建立高熵合金亞穩(wěn)設(shè)計(jì)和玻璃化行為間的聯(lián)系奠定了理論基礎(chǔ)，為亞穩(wěn)高熵合金的成分設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)，也為理解高熵合金亞穩(wěn)態(tài)的物理機(jī)制提供了新思路。下圖為（TiZrHf）1-xTax勢(shì)能面的3D和2D投影圖（以晶格常數(shù)a和軸比c/a為參數(shù)構(gòu)建）。

（本刊記者 大漠）