研究人員通過蜜蜂針獲得靈感研發(fā)超表面結(jié)構(gòu)能用于航空航天和機(jī)器人

對(duì)于一種結(jié)構(gòu)來(lái)說，它的傳熱特性和機(jī)械特性在設(shè)計(jì)端上往往是兩個(gè)十分獨(dú)立的研究課題。如果希望這種結(jié)構(gòu)擁有良好的傳熱特性，那么就得犧牲一定的機(jī)械性能。

然而，在大飛機(jī)、衛(wèi)星、機(jī)器人等應(yīng)用終端商，人們都希望能實(shí)現(xiàn)熱控一承載多性能一體化的設(shè)計(jì)方案。

同時(shí)，鑒于這些設(shè)備復(fù)雜的服役環(huán)境，也讓相關(guān)人員必須考慮熱力性能在不同區(qū)域高度的異化設(shè)計(jì)，而這會(huì)給現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案帶來(lái)很大挑戰(zhàn)。

為解決上述問題，上海交通大學(xué)王洪澤教授開始關(guān)注到承載結(jié)構(gòu)的界面。

他表示，對(duì)于材料的界面來(lái)說，它往往可以調(diào)控結(jié)構(gòu)的傳熱性能和多材料復(fù)合的機(jī)械性能，從而能為超結(jié)構(gòu)熱力性能控制提供潛在解決方案。

在近期一項(xiàng)研究之中，他和團(tuán)隊(duì)通過引入蜂針高度各向異性的幾何結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了超結(jié)構(gòu)界面的可編程熱力設(shè)計(jì)方案，借此解決了先進(jìn)構(gòu)件熱控一承載一體化設(shè)計(jì)的難題。

王洪澤表示：“最早規(guī)劃本次研究時(shí)，我們受到了蜂針的仿生啟發(fā)。”

蜜蜂針，是一個(gè)既有趣又奇特的功能性結(jié)構(gòu)，它的針由很多倒刺組成，這讓蜂針界面有著極為特殊的各向異性熱力特性。

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同時(shí)，他們也關(guān)注到此前有不少研究人員都曾探索過蜂針這類結(jié)構(gòu)在醫(yī)療器件上的應(yīng)用。

但是，對(duì)于超結(jié)構(gòu)來(lái)說，即使它擁有十分豐富的界面設(shè)計(jì)空間，然而并未有人針對(duì)其界面進(jìn)行可編程化設(shè)計(jì)，也沒有人研究過這類奇特結(jié)構(gòu)的熱力特性。

帶著這些問題，課題組重現(xiàn)了蜂針的幾何特征，并研究了其在不同角度下的熱力性能。

研究發(fā)現(xiàn)，這類結(jié)構(gòu)具有極強(qiáng)的各向異性，因此是一種十分優(yōu)質(zhì)的界面編程基元。

于是，他們又通過提出新的方法，來(lái)設(shè)計(jì)這類可編程的超結(jié)構(gòu)界面。他們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，這類超結(jié)構(gòu)中的超界面，能夠針對(duì)熱力性能實(shí)現(xiàn)良好的可編程化調(diào)控。

在人工智能技術(shù)的幫助之下，他們還實(shí)現(xiàn)了新穎的熱力學(xué)被動(dòng)調(diào)控和主動(dòng)可編程調(diào)控。并且，通過采用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，來(lái)預(yù)測(cè)復(fù)雜的熱流特性。

而由于這是一類此前未曾報(bào)道過的界面，為此他們專門給它起了一個(gè)名字，并將其命名為“超界面”。

據(jù)王洪澤介紹，這是首個(gè)通過3D打印可編程設(shè)計(jì)方案，來(lái)實(shí)現(xiàn)超結(jié)構(gòu)界面熱力性能調(diào)控的成果。

談及應(yīng)用前景時(shí)，他表示：“如前所述，本次研究主要面向先進(jìn)構(gòu)件熱力性能的可編程設(shè)計(jì)難題而開展，在航空航天、機(jī)器人等領(lǐng)域都具有非?？捎^的應(yīng)用價(jià)值?！?/p>

舉例來(lái)講，目前很多衛(wèi)星熱控系統(tǒng)仍然采用分體組裝的熱管和承載結(jié)構(gòu)，這給衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)減重和綜合服役性能提升帶來(lái)了很大挑戰(zhàn)。

要想讓此類結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)熱力性能的一體化設(shè)計(jì)，不僅要關(guān)注超結(jié)構(gòu)承載單元本身，還要開發(fā)一個(gè)新維度的設(shè)計(jì)空間。

而本次研究通過進(jìn)一步編程超結(jié)構(gòu)界面設(shè)計(jì)的方式，針對(duì)熱力性能實(shí)現(xiàn)了綜合化、智能化、高度可編程化的調(diào)控，從而能夠?qū)崿F(xiàn)衛(wèi)星熱管熱力結(jié)構(gòu)的一體化高性能設(shè)計(jì)。

高振洋是第一作者，王洪澤、吳一擔(dān)任通訊作者。

未來(lái)，他們希望能夠?qū)崿F(xiàn)增材制造全流程的智能化?！敖Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)距離應(yīng)用非常近，同時(shí)又十分新穎。后續(xù)，我們計(jì)劃開發(fā)更加奇異的超結(jié)構(gòu)，也將推動(dòng)這類結(jié)構(gòu)在航空航天、機(jī)器人等領(lǐng)域的相關(guān)應(yīng)用?！蓖鹾闈杀硎尽?/p>

同時(shí)，他們也正在開展和人工智能相關(guān)的工作，例如課題組目前在增材制造工藝、熔池觀測(cè)、結(jié)構(gòu)熱力性能和后處理過程中，都已經(jīng)引入人工智能技術(shù)。

希望人工智能能夠幫助他們更好地優(yōu)化增材制造全流程，不斷研發(fā)出新材料，最終推動(dòng)工業(yè)界的應(yīng)用。（綜合整理報(bào)道）（策劃／萊西）