你是否想過鬆果是如何決定何時打開釋放種子？你是否對捕蠅草的快速閉合感到過驚訝？大自然中充滿了各式各樣的應對環境刺激或一系列刺激自動做出變換形態和功能的例子。
與傳統的使用電子元件和感知器的機電系統不同，自然系統將這些功能內嵌在材料組成和結構特徵中。例如，即使沒有大腦或神經系統，捕蠅草依然可以做出複雜的決定：當它感受到力學刺激時，它可以快速閉攏，使葉片成半閉合狀，接著它會判斷所捕捉的物體是否有持續的力學刺激或是否是合適的大小，從而“決定”完全閉合葉片開始消化，或是打開葉片釋放意外捕獲的不可食用物體。
來自賓夕法尼亞大學工程與應用科學學院的研究團隊從大自然中的此類系統獲得啟發，利用刺激響應材料和幾何原理，設計製造帶有“嵌入式邏輯”的智能結構。
該研究由機械工程與應用力學系的助理教授Jordan Raney和博士後研究員蔣軼傑(Yijie Jiang)領導，博士生Lucia Korpas共同參與。賓夕法尼亞大學團隊的這項研究Bifurcation-based embodied logic and autonomous actuation 於2019年1月10日在Nature Communications上發表。
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通過多材料3D打印製造，該研究團隊將邏輯關係與時間控制賦予這些響應材料，使其對相應環境變化做出複雜的力學反應。通過使用直接墨水書寫（Direct Ink Writing）的3D打印技術，該團隊製造了由軟材料和各向異性的微觀纖維結構組成的響應材料。結合由系統幾何結構決定的非線性力學反應，達到精確、有序的刺激響應。例如，利用這些原理，可以設計一種水汙染監控設備，使其在超過一定溫度並感知到油基化學汙染時，自動打開並收集樣品。
圖2 雙穩態單元自動激發原理； 3D打印元件過程及內部纖維排列示意圖；帶有預設時間的仿捕蠅草裝置
Raney實驗室對雙穩態結構(即可以在無施加外力情況下保持兩種形態)和響應材料(即可以在特定情況下變換形態的材料)具有研究興趣。兩者在本質上並不相關，但“嵌入式邏輯”把它們聯繫起來。“雙穩態性質取決於幾何結構，而響應來自材料本身的性質，”Raney說，“我們的方法使用多材料3D打印，把兩個領域聯繫起來，從而利用材料的響應性來正確的改變結構的幾何參數。”
在先前的工作中，Raney和合作者們展示瞭如何3D打印具有雙穩態的硅膠斜梁格架。施加壓縮後，這些梁被鎖定在屈曲的形態，但可以輕易的拉伸恢復到未壓縮的形態。
“這種雙穩態取決於彈性梁的角度和長寬比，”Raney說，“壓縮格架時，彈性能存儲在材料中。如果我們可控的利用環境來改變彈性梁的長寬比，使得結構的雙穩態消失，並釋放出它所存儲的能量，那麼你就擁有了一個不需要電子元件來判斷是否或何時激發的驅動。”形狀變化材料較常見，但精確控制其變化難以達到。
圖3 直接墨水書寫(Direct Ink Writing)打印過程
“許多材料吸水膨脹，但膨脹發生在各個方向。這達不到我們的目的，因為梁的長寬比保持不變。”Raney繼續說，“我們需要在限制膨脹只發生在一個方向。”研究者們在3D打印的結構中添加了玻璃微纖維或納米纖維素，並控制打印過程中纖維沿梁的長度方向排列。當油基液體或水與材料接觸時，堅硬的纖維就像骨骼一樣限制著彈性梁在長度方向上伸長，但允許纖維之間的材料橫向膨脹，提高梁的寬度。通過這樣的結構限制，研究者們採用了硅膠和水凝膠作為基礎材料，分別對應油基液體和水的響應。熱學和光學響應材料也可以用同樣的方法，對多種特定刺激源進行設計。利用不同材料對不同刺激源的反應，該文中展示了“與”（AND）， “或”（OR）， “與非”（NAND）等多種邏輯門實例。
通過改變彈性梁的長寬比和內部堅硬纖維的含量，研究者們還製造了不同響應敏感度的驅動裝置。該研究的3D打印技術允許在同一批打印中使用不同材料，因此可以在不同區域設置不同的形態響應，甚至設置響應的順序。
視頻1 高速攝影機捕捉雙穩態單元釋放能量瞬間
“例如，”蔣軼傑博士說道：“我們設計了一個具有順序邏輯的盒子。它在遇到刺激時，自動的打開，然後在固定時間後自動關閉。我們還設計了一個仿捕蠅草機構，它能且只能在預先設定好的時間段內受到力學加載而關閉；一個需要油基液體和水同時出現才能打開的盒子。”
這種通過材料性質和幾何結構的邏輯嵌入方式與尺度不相關，即相同的原理可以被應用在微觀尺度。“這可能在微流體中獲得應用。”Raney介紹道，“不需要使用固態傳感器和微處理器來不斷的讀取微流體設備中的流動，比方說，我們可以設計一個感知到一定汙染就自動關閉的閘門。”
適用於遙遠、嚴苛環境中(如沙漠、高山，甚至其他星球)的感知器也是它的潛在應用。由於不需要電池或計算機，這些嵌入式邏輯的感知器可以無需人工干預的休眠數年，而在正確環境刺激中自動激活。在軟體機器人、自動展開結構、醫藥設備等領域，帶有“嵌入式邏輯”的設計也具有潛在應用價值。
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