近日，西湖大学工学院姜汉卿团队提出了一种三维超表面设计的新策略，其可实现动态刷新且不依赖持续的能量输入，可用于触觉界面的设计，相关研究工作以“Energy-efficient dynamic 3D metasurfaces via spatiotemporal jamming interleaved assemblies for tactile interfaces”为题发表于《自然-通讯（Nature Communications）》。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-51865-x
能够实现从二维构型到复杂三维形状切换的结构或材料在软体机器人、柔性电子、柔性触觉界面等领域具有广泛的应用前景。然而，现有的方法大多在制造过程中就预设了形状转化的规则，导致最终的三维构型无法刷新。为了克服这一限制，研究人员致力于开发可重新编程的三维结构，但面临着需要持续能量输入或可变换的三维形状有限的难题。
为解决上述难题，西湖大学工学院姜汉卿团队将力学屈曲与阻塞机理结合，提出了一种新型形状可编程结构的设计方法。如图1所示，形状可编程结构由层阻塞变刚度单元和弹性基底组成，其中层阻塞单元的刚度可以通过负压进行调控。拉伸弹性基底会驱动层阻塞结构伸长，此时输入真空提升其刚度，随后释放弹性基底便会诱导层阻塞结构屈曲，实现结构从平面构型到三维构型的转化。而控制初始预拉伸量便能调控层阻塞结构的凸起高度，如视频1所示。
图1 基于阻塞机理和力学屈曲原理的形状可编程结构
视频1
此策略可以拓展至具有多个层阻塞变刚度单元的情况，如图2所示。对于层阻塞单元的线性或圆周阵列，该工作提出了一种时空屈曲驱动策略，可以实现对阵列中任意层阻塞变刚度单元的独立调控，这为动态可刷新三维超表面的设计提供了新思路。
图2 基于时空屈曲驱动策略的动态可刷新三维结构
为了实现三维超表面的精确定制化，该工作提出了一种逆向设计策略，如图3所示。首先将目标曲面像素化并提取高度信息，随后利用屈曲高度与预拉伸应变之间的解析关系，给出相应的操作矩阵，进而完成目标曲面的构建。此外，对于特定的目标构型，可以逆向设计出相应的折纸构型，实现目标三维结构的构建。
图3 逆向设计策略
图4 大规模像素化屈曲单元的可刷新性和复杂形状变形的能力展示
视频2
增大阵列中层阻塞变刚度单元的数量有利于复杂三维超表面的构建，为此，该工作制备由768个单元组成的超表面结构，如图4所示。此外，通过搭建3D打印平台，可以实现大尺度超表面结构的高效制备。基于上述逆向设计策略，所设计的超表面结构可以实现字母（THINK）或图片（地图、银河系）的复现，如视频2所示。为了实现高效的气动控制，该工作创新性地提出了“行扫描”气动控制策略，从而利用2*N个驱动便可完成对N*N个气动单元的独立控制，如图5所示。
图5 气动控制策略
基于所设计的超表面结构，该工作搭建用于盲人教育的柔性触觉界面，如图6所示。电脑端输入图片并对超表面远程控制，从而将图片呈现在超表面平台上。视障人士通过触摸三维超表面便能够获取信息，从而完成信息交互以及知识的获取。
图6 动态三维超表面在盲人教育中的应用
本项研究工作的第一作者为西湖大学助理研究员安思奇、博士后李晓文、助理研究员郭增荣，合作作者为科研助理黄毅和博士生张焱林。西湖大学工学院讲席教授姜汉卿为通讯作者。该工作受到了国家自然科学基金以及西湖大学相关经费的支持。此外，特别感谢杭州市残联赵成副主席对该研究工作的帮助和支持！
来 源 | 姜汉卿实验室
撰 稿 | 安思奇
编 辑 | 彭玥
校 对 | 苏凌菲
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