鑽石舞台

摘要：UCLA金麗華課題組設計出一種具有時空可編程性的可重構表面。該表面由許多粘彈性殼單元按陣列排布而成。每一個殼單元可在氣壓載荷下凹陷，卸載後殼的回彈時間受殼幾何以及材料粘彈性的控制。將具有不同回彈時間的殼單元組合起來，形成形貌圖案及摩擦力按照預定時序變化的功能表面。

關鍵詞：粘彈性殼，偽雙穩態，時空編程，氣壓驅動，可重構

如果不依賴機電控制系統，是否可以動態控制一個表面的形貌呢？通過觀察大自然，我們可以發現不少這樣的例子。許多動物都可以動態調節皮膚形貌來實現運動、傳遞信號以及偽裝等功能。比如，蛇通過主動調節皮膚鱗片的角度，來獲得在複雜地形上運動所需的摩擦力。作為自然界的偽裝大師，章魚可以自適應調節皮膚的形貌，使其在海底運動過程中，與千變萬化的海床融為一體。

然而，人工實現表面形貌的動態控制是非常困難的。最直接的實現方法是使用包含電源、電機\泵，以及芯片等的機電系統。通過對芯片的編程，實現對電機\泵等驅動器的時序控制，從而驅動表面實現指定的形貌變化。而過多電子器件的使用會使整個系統變得複雜，導致系統穩定性變差。另一種實現表面形貌動態控制的方法是將不同時序響應的刺激響應單元嵌入到材料中，使表面形貌在給定刺激下按預定時序變化。這樣做的缺點是，材料一旦製備完成，表面形貌的時序變化無法修改。因此，設計形貌的時序變化可編程、不依賴於芯片控制、以及可重構的表面仍然困難重重。

為此，加州大學洛杉磯分校（UCLA）金麗華教授課題組提出一種設計形貌時序可編程、不依賴芯片控制、可重構功能表面的一般方法。該表面由動態響應廣泛可調的單元構成。這些單元按照預定的形貌時序組裝成為功能表面，並可根據新的形貌時序重構成新的功能表面。相關結果發表在Advanced Intelligent Systems上。

作為展示，文中以粘彈性殼作為單元構建功能表面。該殼結構具有凸起和凹陷兩個形態，類比於章魚皮膚觸頭的突出和縮回。在氣壓載荷下，粘彈性殼會由凸起態變為凹陷態。去掉載荷後，根據幾何和粘彈性的不同，有些凹陷的殼會立刻恢復成凸起態（單穩殼），有些可以保持凹陷態（雙穩殼），還有些可以延遲一段時間才恢復成凸起態（偽雙穩殼）。其恢復時間可通過改變幾何和粘彈性參數實現較大範圍的調節。將不同恢復時間的殼組合在一起，可構建預定形貌變化的功能表面。同時可通過對殼單元的重組，實現新的形貌時序變化。所構建的功能表面可實現形貌圖案（數字和表情符號）以及摩擦力按照預定時序變化。

所提出的形貌時序可編程功能表面的設計方法具有廣泛的應用潛力。比如，該功能表面可為下一代智能反射屋頂提供設計思路。該屋頂可對其表面的形貌時序進行編程，使得太陽光在早上和晚上的反射程度低，在中午的反射程度高，從而達到均衡熱輻射的目的。此外，該方法還可設計出針對浸潤性、粘接性、電\熱導率時空可編程的功能表面。