杜克大學倪小越/清華大學王禾翎Science子刊：研發可“重寫”相架構的數字復合材料，實現材料性能實時編程

長期以來，材料中不同性質區域（即“相”）的空間排布決定了其功能特性，但一旦形成便固定不變，限制了材料的適應性與多功能潛力。盡管材料科學已從冶金學的微觀結構調控發展到多材料圖案化乃至體素級增材制造，但如何實現相架構在制成后的直接、按需、非易失性重編程，尤其是在三維體材料中實現像素級可尋址控制，仍是亟待突破的挑戰。

近日，杜克大學倪小越助理教授和清華大學王禾翎副研究員合作，提出了一種具有可重編程固-液相架構的數字復合材料，為解決這一難題提供了全新方案。該材料能夠在體素分辨率下，通過電信號在數秒內實現固態與液態之間的可逆切換，其過程類似于在硬盤上擦寫數據。這種設計使得材料的粘彈性、塑性等力學性能，乃至本構行為和應變分布均可實現精確編程與動態調整，并通過模塊化組裝策略構建出復雜的三維實體結構，為實時、像素級調控材料性能開啟了前所未有的可能性。相關論文以“Digital composites with reprogrammable phase architectures”為題，發表在

Science Advances

研究人員設計了一種由鍍金聚二甲基硅氧烷（PDMS）腔體組成的體素陣列，每個腔體內填充了鎵基液態金屬復合材料（LMC）。該LMC在0°C至29°C之間具有穩定的固、液兩相，這一經過設計的過冷窗口使其能在室溫下保持任一相態，同時又能快速、低能耗地實現相變。通過集成在腔體表面的柔性電極陣列進行焦耳加熱與溫度傳感，可對每個體素進行獨立的相態控制。圖1展示了該數字復合材料的概念、結構示意圖、多路復用控制電路，以及一個3×3樣本在編程為棋盤格構型過程中的表面柔順度監測。研究還演示了9×9二維陣列和由270個體素組成的復雜三維實體結構的成功制備，并通過準靜態拉伸試驗，驗證了通過數字旋轉相架構即可實現雙軸力學測量。

圖1. 具有非易失性固-液相架構的數字復合材料的編程與測試。 （A）受骨小梁、海綿、珍珠層、聚合物、工程復合材料及多材料中的微介觀結構啟發，提出的具有可重編程相架構的數字復合材料概念圖。 （B）3×3體素陣列的二維數字復合材料示意圖，包括填充LMC的PDMS腔體以及集成的柔性電極與表面貼裝二極管。 （C）多路復用電路示意圖，通過行列電壓輸入實現對固液相變的體素級熱控制。 （D）編程與鎖定過程中，對一個3×3樣本每個體素的表面柔順度進行連續監測。 （E和F）二維9×9樣本（E）及三維自由形態、不規則實體組裝體（270個體素，全部可編程）（F）的光學照片。 （G和H）對9×9樣本（應變率0.01% s?1）依次編程15種構型后進行準靜態拉伸試驗的結果，隨后使用其數字旋轉構型進行第二次測試。陰影區域表示編程窗口。結果包括溫度與應變分布圖（G）以及工程應力-應變測量曲線（H），所有數據在時間上同步。

通過高通量實驗與耦合建模，研究系統描繪了可重編程粘彈性性能的廣闊設計空間。圖2顯示，研究團隊對一個9×9樣本的超過6萬種構型進行了自動力學測試，獲得了有效的楊氏模量、泊松比和損耗因子數據。結果證實，通過改變固態體素的比例、連通性等拓撲特征，可實現粘彈性性能的寬范圍、高重復性編程，并且實驗數據與有限元預測高度吻合。研究還發現，固態體素分數越高，楊氏模量通常越大，而泊松比和損耗因子則降低。特別地，研究通過逆向設計，找到了能精準模擬六種現有商業材料粘彈性行為的構型。

圖2. 具有多參數、多方向分辨率的可重編程粘彈性性能的高通量圖譜。 （A）對一個9×9數字復合材料超過6萬種構型（其中約1萬種接近各向同性）在列（x）和行（y）方向上的有效楊氏模量、泊松比及損耗因子的實驗表征。每個數據點為20次測試的平均值。 （B）實驗值與有限元分析預測值之間相對差異的直方圖，顯示楊氏模量、泊松比和損耗因子的最大絕對偏差分別為4.3%、8.5%和14.6%。 （C）有效粘彈性性能隨固態體素分數的變化關系。 （D）在固定固態體素分數下，有效粘彈性性能隨加載方向平均鏈長（經系統尺寸歸一化）的變化關系。 （E）所有測試構型的有效粘彈性性能三維Ashby圖。已識別出接近各向同性的構型，可模擬六種不同商用材料的粘彈性行為。

除了小變形范圍內的粘彈性行為，該復合材料在大變形下也展現出獨特的可重編程塑性。圖3顯示，對具有相同固態體素分數但不同構型的樣本進行拉伸測試，其屈服應變顯著不同。關鍵的是，通過熔化所有體素的“重置”過程，材料即使經歷傳統的“不可逆”塑性變形后，也能恢復原狀，實現了可逆的塑性行為。結合原位成像與基于能量最小化的模型，研究揭示了屈服始于固態LMC與PDMS基質間的界面分層，并通過體素特定的界面粘附能校準，顯著提升了模型預測的準確性。

圖3. 通過可重復塑性測試對可重編程屈服行為進行高通量表征。 （A）對具有兩種構型（固態體素分數均為0.49）的9×9樣本進行100次循環拉伸測試的應力-應變響應，揭示了可重復但依賴于構型的屈服行為。 （B）兩種構型在屈服應變處的代表性應變分布圖，光學照片局部放大顯示了分層體素（紅框）和承受最大主應變的固態體素（黑框）。 （C）對所有評估構型（除全液態外）的實驗測量屈服應變與模型預測屈服應變之間差異的直方圖。 （D）實驗測量的屈服應變隨固態體素分數、未中斷鏈長及最大主應變（在1%平均應變時）的變化關系。

進一步地，快速重構相架構的能力使得對材料整體應力-應變響應的動態編程成為可能。如圖4所示，通過在一系列均勻應變步長下切換預先逆向設計的相架構序列，9×9樣本成功復現了包括常規與非常規的彈性、塑性、粘彈性乃至心形曲線在內的復雜目標應力-應變響應。同時，通過優化相架構，該復合材料在純拉伸、純剪切及拉剪復合載荷下，均能顯著降低最大應變超過20%，從而有效緩解應變局部化，有望提升承載能力。

圖4. 通過相架構的動態編程控制全局應力-應變響應與局部應變分布。 （A至D）對一個9×9樣本施加預定載荷，并依次編程40種逆向設計的相架構，以產生目標有效應力-應變曲線，結果復現了常規與非常規的彈性（A）、塑性（B）、粘彈性（C）及復雜行為（D）。 （E至G）在純拉伸（E）、純剪切（F）及拉剪復合（G）三種載荷條件下，具有隨機構型的9×9樣本與經過優化以最小化最大主應變同時保持彈性模量不變的構型之間的應變分布圖比較。

研究還將二維數字復合材料層堆疊鍵合，構建成三維陣列。如圖5所示，小型3×3×3單元可作為模塊化構建塊，通過可逆粘合劑組裝成更大的三維結構，例如6×6×6立方體和3×3×30梁。測試表明，三維結構同樣表現出與二維系統類似的可編程彈性行為規律。作為一個應用演示，一個由10個單元組成的梁被用作機器魚的尾部附肢，通過編程三種不同的相架構，成功實現了直線游動、轉向以及螺旋前進三種截然不同的游動模式，展現了其在軟機器人領域的應用潛力。

圖5. 三維數字復合材料的編程。 （A）三維編程與組裝過程示意圖。 （B）三維編程臺及一個具有立方體體素的3×3×3單元的光學照片。 （C）模塊化三維單元組裝成可重構三維結構（包括6×6×6立方體和3×3×30梁）的光學照片。 （D）6×6×6立方體在單軸壓縮下的光學照片。 （E）6×6×6立方體37種構型的有效楊氏模量、損耗因子、泊松比與固態體素分數的實驗與有限元分析結果對比。 （F）搭載作為可重編程尾部附肢的3×3×30梁的機器魚光學照片。 （G）具有三種不同構型、固態體素分數相似（約0.1）的三維梁在15 Hz頻率、0.5 mm峰-峰驅動振幅下進行彎曲振動的示意圖、復合光學圖像及最大穩態撓度的三維重建圖。 （H）在相同驅動條件下，搭載三維梁尾部附肢的機器魚在三種構型下于水箱中游行的復合延時圖像。

這項研究提出了一種變革性策略，通過類似硬盤擦寫存儲的循環，實現了對固液復合材料毫米級體素相架構的快速、數字、非易失性控制。該平臺技術為相級別的可重編程性奠定了基礎，并易于擴展到其他相變材料體系。未來，通過集成主動冷卻策略或使用在操作溫度以上凝固的材料，有望進一步解除重編程對環境冷卻的依賴。結合人工智能加速逆向設計，該數字復合材料為高效探索異質力學、設計非線性與不可逆力學行為提供了高通量平臺。通過集成傳感與驅動元件，這種材料有望催生兼具結構配置與材料響應動態協同優化能力的新一代自適應結構、軟體機器人和自主系統。