陈常青课题组报道具有逻辑运算能力的力学超材料

nice007

冯·诺依曼构架的电子计算机通用性广，具有强大的信息分析能力，是近几十年来信息和智能时代的发展基础。与此相比，传统材料尽管支撑了人类文明几千年的发展，但它们的主要性能指标仍然是刚度和强度等被动性参数。一个有意思的问题是，信息处理能力能否成为新一代的“智能”材料的重要指标？

图1 基于力学超材料的逻辑计算元胞和系统：（a）基于曲梁构形的基本逻辑单元或非门；（b）冯·诺依曼可重编程机械逻辑计算系统。

        清华大学航天航空学院陈常青教授课题组将冯·诺依曼计算机的思想与力学超材料单双稳态变形特性相结合，设计和实现了冯·诺依曼构架下的机械逻辑计算系统，所设计的基本逻辑单元（力学超材料元胞）由单稳态曲梁构成，利用载荷诱导曲梁变形突变来表征二进制逻辑信息，通过设计曲梁间的连接方式得到了逻辑功能完备的或非门（图1a），为系统执行任意组合逻辑、时序逻辑功能提供了基础。

图2 两个典型的组合逻辑和时序逻辑功能设计和验证：（a）基于组合逻辑的半加器;（b）基于时序逻辑的锁存器。

        进而，课题组分别采用或非门阵列和双稳态曲梁元胞实现了运算器和存储器。通过调控存储器中双稳态曲梁的状态分布，所设计的超材料系统可对执行指令进行编程和重编程设计，从而克服了以往力学超材料在服役期间逻辑功能无法反复编程的难题（图1b）。课题组还通过对半加器、易失性和非易失性存储器的实验，验证了所设计的力学超材料具有实现任意组合逻辑和时序逻辑的能力，为构建可重复编程、且具有信息分析能力的新一代“智能”材料提供了新思路（图2）。
         相关研究成果以“具有可重编程逻辑功能的力学超材料”（A mechanical metamaterial with reprogrammable logical functions）为题，于12月13日在《自然·通讯》（Nature Communications）在线发表，展示出材料不仅可具有传统的力学性能，同时具有可编程的组合逻辑和时序逻辑的信息处理能力。
        清华大学航天航空学院陈常青教授为论文通讯作者，清华大学航天航空学院博士生梅铁为第一作者。作者还包括清华大学航天航空学院博士生孟志强，以及合作者美国普渡大学赵克杰（Ke jie Zhao）教授。该研究得到了国家自然科学基金委支持。近年来，陈常青课题组在力学超材料领域取得了一系列成果，包括拓扑静态孤子、多步变形和非线性拓扑边界态等。
       论文连接：https://doi.org/10.1038/s41467-021-27608-7


      文章来源：清华大学
      陈常青，清华大学工程力学系教授、固体力学研究所所长，国家杰出青年科学基金、“万人计划”科技创新领军人才等人才计划入选者。现为《International Journal of Mechanical Sciences》和《Acta Mechanica Sinica》副主编。主要研究领域为多功能材料与结构力学，在压电智能材料与结构、超轻多孔材料以及力学超材料等方向开展了长期工作，获发明专利9项，发表论文130余篇，被SCI他引2800多篇次，h因子为33。先后获国家自然科学二等奖1项（第2获奖人）、省部级科技一等奖3项（分别为第1、2、4获奖人），以及全国优秀博士论文奖、教育部“跨世纪优秀人才”基金、霍英东青年教师奖、中国力学学会青年科技奖、中国青年科技奖等奖励和荣誉。