Advanced Science | 穿孔壳超材料实现多功能信息处理新突破

解决的问题：解决如何设计具有更集成信息处理能力的超材料，以实现类似生物体的智能信息处理，克服现有超材料在功能可编程性、空间效率与信息密度平衡、静态和动态信息同时处理等方面的挑战。

提出的方法：提出一种基于具有交错梯形孔洞的穿孔壳（PS）可编程多稳定性的设计框架，通过设计和排列不同类型的 PS 构建智能机械超材料。

实现的效果：实现了多层信息的存储、编码、解码和读取，展示了信息加密、机械计算、波放大和压力传输等多种应用功能，验证了超材料在处理静态和动态信息方面的有效性。

创新点：利用穿孔壳的多稳定性和可编程特性，构建的超材料在较小体积内实现强大信息处理功能，突破传统限制，且具备非接触操作、适应复杂存储需求等特性。

研究成果以题为 “Programmable Metamaterials with Perforated Shell Group Supporting Versatile Information Processing” 发表于《Advanced Science》上。山东大学Xiaoyuan Ma为论文第一作者，山东大学Peng Yan为论文通讯作者。

摘要：机械超材料有望通过与外部环境的相互作用，为软机器赋予机械智能。值得注意的是，文献中大多数具有代表性的成果聚焦于利用新型超材料设计实现特定的信息处理功能。设计具有更集成的信息处理能力、实现综合智能化的超材料仍然是一个挑战。在这项工作中，我们提出了一种新颖的方法，即利用具有交错梯形孔洞的穿孔壳（PS）的可编程多稳定性，开发具有高密度信息的可变形信息处理超材料。通过在机械压缩或磁驱动下设计和排列不同类型的 PS，实现多层信息的存储、编码、解码和读取。此外，利用超材料的稳定记忆和可调刚度分布，还展示了各种面向应用的功能，如信息加密、机械计算、波放大和压力传输。所提出的设计策略为多功能、小型化和可扩展的信息机械超材料铺平了道路，在基于软材料的智能设备中具有巨大的潜力。

结论：在本研究中，我们提出了一种新颖的超材料框架，通过将具有不同多稳定性的穿孔壳作为像素进行排列，能够实现多层信息的存储、编码和解码。该方法使超材料能够在较小的体积内处理更多信息，并提供了更广阔的设计空间。更重要的是，我们通过在信息加密、机械计算、波放大以及自适应压力传输等方面的应用，展示了这些超材料的多功能性，凸显了该方法所带来的更多机械智能。值得注意的是，所提出的超材料具有多个特点，包括能够处理静态和动态信息、在密封后支持非接触操作、适应更复杂信息存储的广泛超材料框架，并且具有令人满意的使用寿命（见支持信息中的 Movie S11）。然而，壳上的穿孔会影响承载能力和稳定性（见支持信息中的 Figure S18），这限制了在高振动环境中可靠的数据存储。在未来的研究中，我们将探索潜在的设计（如自锁结构），以提高在更多层场景下的稳定性。

图1： 基于穿孔壳的超材料设计概念。

图2： 四种类型PS的设计。

图3：基于PS的超材料中多层信息的存储、编码和读取。

图4：基于PS的超材料通过远程磁驱动实现信息编码、解码和读取。

图5：基于PS的超材料在信息加密和机械计算中的应用。

图6：PS在动态信息处理中的应用。

图7：基于PS的超材料实现自适应压力传递。

文章信息：

X. Ma, Z. Wang, W. Zhang, P. Yan, Programmable Metamaterials with Perforated Shell Group Supporting Versatile Information Processing. Adv. Sci. 2025, 2417784.

https://doi.org/10.1002/advs.202417784