简讯

清华大学研制出强韧、抗疲劳3D打印水凝胶

近年来，基于数字光处理（DLP）技术的可3D打印聚丙烯酰胺水凝胶具有较高的打印分辨率和高度的可拉伸特性，但模量、强度、断裂能和疲劳阈值较低。因此，需要发展一种基于DLP 技术的可3D打印水凝胶的强韧化方法。

近日，清华大学航天航空学院李晓雁教授和南方科技大学葛锜副教授团队向可3D打印水凝胶前驱体溶液中引入芳纶纳米纤维（ANF），在紫外光下固化后得到了ANF增强的水凝胶复合材料。与未增强的水凝胶相比，仅引入质量分数0.3%的ANF，即可使水凝胶的模量提高约30倍，强度、断裂能和疲劳阈值提高约一个数量级，同时还能够保持较高的断裂伸长率。ANF增强的水凝胶复合材料具有较高的打印分辨率和良好的生物相容性，并且在加入电解质后具有导电性，能够作为生物体内的柔性电子器件进行应用。相关研究以Strong,tough, fatigue-resistant and 3D-printable hydrogel composites reinforced by aramid nanofibers为题发表在Materials Today上。

扫描电镜和红外光谱表征结果表明，在ANF和水凝胶链之间形成了额外交联点以及大量的氢键，同时较长的ANF与水凝胶链缠结，并由于亲水性不同产生相分离。而断裂能的提高则主要与长链缠结和大量氢键的能量耗散机制有关。

团队设计了一种压力传感器模型，并通过3D打印设备制备得到了此结构。对压力传感器施加10000周疲劳加载，同时测量其加载方向的应力和两端之间的电阻变化，结果表明，可导电的水凝胶复合材料的应力与电阻同步变化，并且具有稳定的力学性能和电学性能。此研究为改善基于DLP的3D打印水凝胶的力学性能提供了一个普遍而有效的策略。下图为用质量分数0.3% ANF的水凝胶复合材料3D打印得到的点阵单胞结构及拉伸加载图像。 （本刊记者 大漠）

自动化所研发出全脉冲神经网络的类脑认知智能引擎

近日，中国科学院自动化研究所研究员曾毅团队打造出全脉冲神经网络的类脑认知智能引擎（Brain-inspired cognitive intelligence engine，简称BrainCog，“智脉”），为探索面向通用人工智能的类脑智能研究提供基础性支撑。

“智脉”以多尺度生物可塑性原理为基础，支持全脉冲神经网络建模，具备脑启发的人工智能模型及脑功能和结构模拟能力，为类脑人工智能和计算神经科学的研究提供了一套相对完整、系统化的接口组件，包括不同精细程度的神经元计算模型、丰富的类脑学习与可塑性法则、不同的神经网络连接模式、多样的编码方式、丰富的功能性脑区模型及软硬件协同系统。

目前，“智脉”在感知与学习、知识表征与推理、决策、社会认知、发育演化等方面已取得实质性进展。在软硬件协同方面，科研团队研制并发布了基于FPGA的类脑脉冲神经网络加速器“智脉·萤火”（BrainCog Firefly），从硬件层面提升了脉冲神经网络在边缘设备上的推理性能，在基于脉冲神经网络的智能车自主视觉定位导航、基于事件相机的无人机高速避障、机器人环境探索与复杂任务自适协同等现实任务中具有较大应用潜力。

基于“智脉”框架，科研团队开发了致力于获得通用认知能力的脉冲神经网络人工智能引擎“创生”（BORN），集成了感知与学习、工作记忆、长时记忆、知识表征和推理、运动控制、注意力和意识、共情、社会认知等大脑认知功能。

下图为类脑认知智能引擎“智脉”的计算组件与应用。（本刊记者 大漠）

理论物理所在软物质物理的理论研究中取得进展

液晶弹性体的宏观形状变化与其内部微观液晶单元指向之间的耦合，使得通过调节液晶弹性体内部液晶单元的取向序进行机械做功成为可能。液晶分子排列良好的单畴液晶弹性体具有优秀的机械性能，如可逆的大应变变形、高强度和优异的韧性等。然而，由于随机淬火效应难以实现液晶单元的均一排列，以及该材料的不可回收性，液晶弹性体至今无法在工业中广泛应用。为了克服上述困难，键交换型液晶弹性体在2014年被成功制备。与液晶弹性体中交联键能垒较高导致交联键较难重组不同，键交换型液晶弹性体中的键交换反应速率可通过加入催化剂和改变温度等手段调节。尽管现阶段在制备不同的键交换型液晶弹性体方面取得了试验进展，但缺乏探讨此类液晶弹性体物理特性的理论框架。而构建此理论的主要困难在于动态演化的向列序、聚合物材料的熵弹性和键交换反应引起的能量耗散等多种物理因素耦合。

近日，中国科学院理论物理研究所孟凡龙课题组通过考虑微尺度键交换反应，构建了键交换型液晶弹性体的连续体理论模型，揭示了键交换型液晶弹性体在不同的应用场景中可能呈现的普适性流变学特性。

应力迟豫：通过施加固定幅度的形变，键交换型液晶弹性体会在施加形变的同时产生向列序。此后，键交换型液晶弹性体的应力会随时间指数衰减，伴随着向列序的序参量也随时间呈现指数衰减。

固定应变速率时的应力–应变关系：通过施加固定应变速率的应变，键交换型液晶弹性体的应力–应变曲线会呈现先增后减的非单调特性。由于形变与其向列序的耦合，键交换型液晶弹性体的应力–应变响应比无向列序的类玻璃体“更软”。

蠕变屈服：通过施加固定幅度的应力，键交换型液晶弹性体会产生瞬时应变。由于键交换反应带来的能量耗散，其应变会随着时间增加。通过定义有效黏度，研究发现其有效黏度会随着固定应力的增加而减小。下图为键交换型液晶弹性体示意图，其交联键可通过某些化学交换反应发生交换。

（本刊记者 大漠）

西工大研制出仿生、超灵敏、多功能的水凝胶基电子皮肤

电子皮肤可以感知外界刺激获取环境信息，并将其转化为电信号，这项技术在软体机器人、假肢设计和可穿戴设备等领域备受关注。

近日，西北工业大学苑伟政、北京大学张海霞、中山大学吴进合作，提出了一种仿生、超灵敏、多功能的水凝胶基电子皮肤(BHES)。BHES的表皮功能使用具有纳米级皱纹的聚对苯二甲酸乙二醇酯进行模拟，通过接触带电过程中获得/失去电子的能力，能够准确识别材料。内部机械感受器由具有黏滑传感能力的叉指银电极模拟，以识别纹理/粗糙度。

通过图案化的微锥水凝胶模拟真皮功能，实现了具有高灵敏度(17.32 mV/Pa)、大压力范围(20～5000 Pa)、低检测限和快速响应(10 ms)/恢复时间(17 ms)的压力传感器。

在深度学习的辅助下，该BHES在识别材料和纹理方面实现了高精度并最大限度地减少了干扰。通过集成信号采集/处理电路，展示了具有3自由度运动的可穿戴无人机控制系统，以及数字孪生的自供电人机交互界面。

该研究以Deeplearning enabled active biomimetic multifunctional hydrogel electronic skin为题发表在ACS Nano上。

研究引入纳米级皱纹图案PET以模仿表皮表面并产生接触带电机制。此外，采用微锥图案的DN水凝胶作为摩擦层和导电电极，以提高器件的灵敏度。

设计的DN水凝胶具有出色的抗脱水和抗冻能力，出色的透明度(在可见光谱中超过85%)和电稳定性。多功能BHES赋予机器人材料识别和纹理识别能力。在深度学习的帮助下，10种材料和4种粗糙度的识别准确率分别为95.00%和97.20%。

通过将BHES与信号采集/处理电路进一步结合，该传感器展示了其作为人机界面的能力，通过监控人类手势来调节无人机的运动。此项研究可用于数字孪生和元宇宙应用中的智能机器人，在交互式人机界面方面具有巨大潜力。

下图为BHES的结构设计。

（本刊记者 大漠）

斯坦福设计出新型双层磁驱动可重构超材料

近日，斯坦福大学赵芮可教授团队设计了一种新型双层磁驱动可重构超材料，可以通过改变内部结构的形状来调整其密度分布，同时保持总体尺寸不变。这种保持面积不变的多模态形状重构可被进一步用作声学超材料，用于调节声波带隙和弹性波的传播。研究成果以Magneto-mechanical bilayer metamaterial with global area-preserving density tunability for acoustic wave regulation为题发表于Advanced Materials。

此双层超材料可以通过调整磁场方向和大小显示出4种不同的重构模式，所有模式也可以在磁场驱动下快速切换到其他模式。通过磁场激活，双层超材料展示出可靠控制的独特响应。由于其局部密度的变化而保持全局尺寸恒定的特性，以及无线可控的声学带隙特性，这种超材料可用于开发高度可调的滤波器。

通过将更小的顶层阵列（贴片）放置在底层阵列上，形成具有增强可编程性的双层结构。可控制顶层阵列（贴片）的位置、行数和列数来灵活调节超材料特性。为了解决可重构超材料驱动过程中总体尺寸发生显著变化而影响其覆盖面积，研究中提出了3种双层结构设计策略：翻转式、贴片式和偏移式。翻转式利用其两层的独立驱动，实现了增强的形状变换、性质可调性和出色的面积保持性；贴片式极大地扩展了设计空间，并可以作为可重配置的波导；偏移式也显示出改善的面积保持性和性质可调性。这些双层磁驱动可重构超材料的面积保持能力和在切换带隙模式时的超强调整性，使得它们在振动隔离、隐身及波导领域有着实际的应用价值。

（本刊记者 大漠）

燕大为理解高熵合金亚稳态的物理机制提供新思路

为了更好地理解结构材料的亚稳特性并其优化力学性能，燕山大学材料学院张宴会老师团队采用多种先进的结构搜索技术，探索了典型耐高温体系Ti–Zr–Hf–Ta庞大的构型空间和复杂的能量空间。此项研究以Metastable high entropy alloys of TiZrHfTa with glass-like characteristics at low temperatures为题发表在Acta Materialia上。

试验表明，随着该体系中Ta含量的降低，其势能面由典型晶体材料的深势阱逐渐向类似于非晶材料的浅势能面和宽能谷化发展，这很好地解释了试验发现低Ta含量时出现的亚稳结构演化和马氏体相变现象。此外，通过与混溶度高的Zr-Hf和混溶度低的Zr-Ta体系进行对比分析发现，虽然高温下TiZrHfTa具有高构型熵稳定化的固溶体结构和成分均匀性，但在低温下，展现出了热力学亚稳性、能态多样性、结构灵活性，以及由Zr-Ta原子对分离诱发的局部成分和原子结构的异质性。这些低温下的能量和结构特性，常出现在非晶合金体系中，与混溶度较好的固溶合金截然不同。

该工作为建立高熵合金亚稳设计和玻璃化行为间的联系奠定了理论基础，为亚稳高熵合金的成分设计提供了理论指导，也为理解高熵合金亚稳态的物理机制提供了新思路。下图为（TiZrHf）1-xTax势能面的3D和2D投影图（以晶格常数a和轴比c/a为参数构建）。

（本刊记者 大漠）