清華新聞網(wǎng)12月14日電 馮·諾依曼構(gòu)架的電子計(jì)算機(jī)通用性廣，具有強(qiáng)大的信息分析能力，是近幾十年來(lái)信息和智能時(shí)代的發(fā)展基礎(chǔ)。與此相比，傳統(tǒng)材料盡管支撐了人類(lèi)文明幾千年的發(fā)展，但它們的主要性能指標(biāo)仍然是剛度和強(qiáng)度等被動(dòng)性參數(shù)。一個(gè)有意思的問(wèn)題是，信息處理能力能否成為新一代的“智能”材料的重要指標(biāo)？
圖1 基于力學(xué)超材料的邏輯計(jì)算元胞和系統(tǒng)：（a）基于曲梁構(gòu)形的基本邏輯單元或非門(mén)；（b）馮·諾依曼可重編程機(jī)械邏輯計(jì)算系統(tǒng)。
清華大學(xué)航天航空學(xué)院陳常青教授課題組將馮·諾依曼計(jì)算機(jī)的思想與力學(xué)超材料單雙穩(wěn)態(tài)變形特性相結(jié)合，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了馮·諾依曼構(gòu)架下的機(jī)械邏輯計(jì)算系統(tǒng)，所設(shè)計(jì)的基本邏輯單元（力學(xué)超材料元胞）由單穩(wěn)態(tài)曲梁構(gòu)成，利用載荷誘導(dǎo)曲梁變形突變來(lái)表征二進(jìn)制邏輯信息，通過(guò)設(shè)計(jì)曲梁間的連接方式得到了邏輯功能完備的或非門(mén)（圖1a），為系統(tǒng)執(zhí)行任意組合邏輯、時(shí)序邏輯功能提供了基礎(chǔ)。
圖2 兩個(gè)典型的組合邏輯和時(shí)序邏輯功能設(shè)計(jì)和驗(yàn)證：（a）基于組合邏輯的半加器;（b）基于時(shí)序邏輯的鎖存器。
進(jìn)而，課題組分別采用或非門(mén)陣列和雙穩(wěn)態(tài)曲梁元胞實(shí)現(xiàn)了運(yùn)算器和存儲(chǔ)器。通過(guò)調(diào)控存儲(chǔ)器中雙穩(wěn)態(tài)曲梁的狀態(tài)分布，所設(shè)計(jì)的超材料系統(tǒng)可對(duì)執(zhí)行指令進(jìn)行編程和重編程設(shè)計(jì)，從而克服了以往力學(xué)超材料在服役期間邏輯功能無(wú)法反復(fù)編程的難題（圖1b）。課題組還通過(guò)對(duì)半加器、易失性和非易失性存儲(chǔ)器的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的力學(xué)超材料具有實(shí)現(xiàn)任意組合邏輯和時(shí)序邏輯的能力，為構(gòu)建可重復(fù)編程、且具有信息分析能力的新一代“智能”材料提供了新思路（圖2）。
相關(guān)研究成果以“具有可重編程邏輯功能的力學(xué)超材料”（A mechanical metamaterial with reprogrammable logical functions）為題，于12月13日在《自然·通訊》（Nature Communications）在線(xiàn)發(fā)表，展示出材料不僅可具有傳統(tǒng)的力學(xué)性能，同時(shí)具有可編程的組合邏輯和時(shí)序邏輯的信息處理能力。
清華大學(xué)航天航空學(xué)院陳常青教授為論文通訊作者，清華大學(xué)航天航空學(xué)院博士生梅鐵為第一作者。作者還包括清華大學(xué)航天航空學(xué)院博士生孟志強(qiáng)，以及合作者美國(guó)普渡大學(xué)趙克杰（Ke jie Zhao）教授。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委支持。近年來(lái)，陳常青課題組在力學(xué)超材料領(lǐng)域取得了一系列成果，包括拓?fù)潇o態(tài)孤子、多步變形和非線(xiàn)性拓?fù)溥吔鐟B(tài)等。
論文連接：
https://doi.org/10.1038/s41467-021-27608-7
供稿：航天航空學(xué)院
標(biāo)題圖設(shè)計(jì)：李娜
編輯：覃霞
審核：呂婷
