湖南大學吳英鵬教授團隊Adv. Funct. Mater.：基于液態金屬的可重構/可并行計算軟機械開關

一、導讀

將具有可變形性和靈活性的軟材料引入到機械開關中，有助于開發具有可重構和并行計算等特性的新型軟機械開關。盡管已有研究開發出了軟機械開關，但它們仍存在一些問題，如開關比低、響應時間慢、耐久性不足以及不具備可重構特性。并行計算是一種不同于傳統邏輯計算中使用的馮·諾伊曼串行計算的算法，目前尚未在機械開關中得到發展。因此，將軟材料引入機械開關，以實現現代電子技術所要求的可重構特性和并行計算功能，仍然是一個挑戰。

二、成果掠影

為了解決這一問題，湖南大學吳英鵬教授團隊構建了一種基于液態金屬（liquid metal, LM）和鋸齒形結構的新型軟機械開關，與現有軟機械開關相比具有高開關比（> 10⁷）、短響應時間（~0.2 s）、長期耐用性（>2000次）、自修復性能和優異的機電協同特性。此外，結合所設計的機械單元和并行計算架構，該開關可以重構出所有類型的邏輯門并實現信息處理。該成果以“Reconfigurable and Parallel Computable Soft Mechanical Switch by Liquid Metal”為題發表在Advanced Functional Materials上。

三、核心創新點

1.設計并構建了基于液態金屬和鋸齒形結構的新型軟機械開關，具有高開/關比（>10⁷）、穩定的短響應時間（~0.2 s）、長期耐用（>2000次），自修復特性和良好的機電匹配特性。

2.基于上述特點，設計了一種實現軟機械開關可重構的機械單元。通過這種機械單元，可以構建所有類型的邏輯門，具有獨特的可重構特性。

3.設計了一種基于軟機械邏輯開關的包含單指令多數據和多指令多數據的并行計算體系結構，并將其應用于信息處理。

四、數據概覽

圖1. LM-SMS (LM and zigzag structure) 的結構設計和特性:?a) LM-SMS的結構和可逆導電機理示意圖，以及LM-SMS的光學照片。b) LM-SMS、彈性體和半導體材料在開關比性能上的比較。c) LM-SMS在2000次應力-應變循環下的電阻。插圖是由LM-SMS和LED組成的電路的光學照片。d) 在150%應變下，Galinstan（損傷和自修復）、銀膠和固體Ga器件的三次應力-應變循環電阻。e) 不同應變下LM-SMS的應力-應變曲線。f) 基于LM-SMS的機械單元的光學照片。插圖為終端控制器，g) 用于信息處理的三個邏輯電路圖。?

圖2. 結構分析與機理探索:?a) LM-SMS在0%、40%和80%應變下的結構變化的模擬結果。b) 在0%、40%、80%、100%和120%應變下，9個不同位置的分離位移的模擬結果。 c) 單個鋸齒在靜息狀態和拉伸狀態下的模擬結果和機理分析（A：鋸齒底；B：鋸齒頂；C：鋸齒表面）。 d) 拉伸前后LM-SMS的光學照片。 e) 平面結構和鋸齒狀結構在拉伸-釋放過程中電阻隨時間變化的關系。 f) 三個封裝位置的示意圖。比例尺為1厘米。 g) 四個LM噴涂位置的示意圖。大括號的顏色與圖左側符號的顏色對應。相同的顏色表示相同的封裝位置或相同的LM噴涂位置。

圖3. LM-SMS的電學性能:?a) 三個封裝位置的LM-SMS電阻與應變的關系。插圖是平均應變。 b) 三個封裝位置的開/關狀態轉換的響應時間。 c) 四個LM噴涂位置的LM-SMS電阻與應變的關系。插圖是平均應變。 d) 四個LM噴涂位置的開/關狀態轉換的響應時間。 e) 三個LM噴涂寬度的LM-SMS電阻與應變的關系。插圖是平均應變。 f) 三個LM噴涂寬度的開/關狀態轉換的響應時間。 g) 四種拉伸速率下的LM-SMS電阻與應變的關系。插圖是平均應變。 h) 兩片涂有Galinstan的PSR（Polysulfide rubber）在原始狀態和拉伸狀態下的示意圖。 i) 兩片涂有Galinstan的PSR在拉伸-釋放過程中電阻與時間的關系。

圖4. 具有機電協同特性的LM-SMS用于邏輯門:?a)“OR”門邏輯電路的輸入輸出電壓信號。 b)“AND”門邏輯電路的輸入輸出電壓信號。 c)“NOT”門邏輯電路的輸入輸出電壓信號。 d) 自修復后的LM-SMS構建的“OR”門邏輯電路的光學照片。LED用于指示輸入信號。液晶顯示器（LCD）用于指示輸出信號。比例尺為5厘米。

圖5. 可重構和可并行計算的LM-SMS用于智能信息處理:?a) 串行計算和并行計算的示意圖及特性。b) 基于LM-SMS的并行計算架構的示意圖，由8個LM-SMS和4條指令組成。 c-e) LM-SMS用于可重構和可并行計算的三種信息處理案例。A、B、C、D為信息處理系統的邏輯輸入，Y1、Y2、Y3、Y4為信息處理系統的邏輯輸出。

五、成果啟示

綜上所述，本文設計了一種基于液態金屬、自修復聚合物和鋸齒形結構的新型軟機械開關。通過壓縮和拉伸軟機械開關，可以實現液態金屬導電路徑的連接和斷裂，從而實現軟機械開關的導通和斷開。在工作過程中，結構的不均勻性和應力集中導致穩定的短響應時間和高開/關比，而液態金屬和自修復聚合物提供了耐久性和穩定性。為了增強軟機械開關的功能，我們設計了一個機械單元，以實現軟機械開關的可重構和并行計算。在該機械單元中，可以通過編程同時控制多個不同方向的軟機械開關變形，并進一步改變它們的開/關狀態以及邏輯輸入和輸出的組合，改變邏輯門的類型。因此，可以形成可重構的邏輯門和并行計算架構，并用于實現信息處理。本研究所提出的具有穩定的短響應時間、可重構和可并行計算的軟機械開關，可以為柔性電子和智能機械控制系統的發展提供思路。

原文詳情：

題目：Reconfigurable and Parallel Computable Soft Mechanical Switch by Liquid Metal

作者：Xin-Yang Li⁺, Zu-An Hu⁺, Qian Liu, Tian Xie, Xian-Wen Wang, Lu Huang,*and Ying-Peng Wu*

文章鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202312511

本文由文章團隊供稿。

課題組簡介

吳英鵬教授課題組隸屬于湖南大學化學化工學院、化學生物傳感與計量學國家重點實驗室。現有教授1人，副教授1人，博士后3人，博士碩士研究生20余名。課題組負責人吳英鵬教授為湖南大學化學化工學院化學系主任、博士生導師、湖南大學岳麓學者、湖湘高層次人才聚集工程創新人才、國家高層次人才計劃。近年來，發表論文60余篇，累計引用超過10000次，h因子37。其中第一作者/共同第一作者/通訊作者論文包括：Nature, Nature Photonics, Nature Communications, Energy & Environmental Science, Angew, Advanced Material, Advanced Energy Materials, ACS Nano等國際著名雜志。課題組研究工作主要圍繞能量的存儲與轉化展開，包括但不限于：1）鋁離子電池等儲能器件；2）綠色能源材料應用于催化領域；3）先進功能合金系統：高熵合金、液態金屬、記憶合金等。課題組常年招收博士后、訪問學者。