近日，西安交通大學航天航空學院劉益?zhèn)惤淌趫F隊提出了一種可重編程數(shù)字智能超表面(Digital-Intelligent Metasurface, DMS)的系統(tǒng)性設計方法。該方法創(chuàng)新性地將“數(shù)字邏輯”嵌入物理結(jié)構(gòu)的力學行為中，結(jié)合機器學習算法建立了數(shù)字編碼與幾何形態(tài)的確定性映射關(guān)系，成功實現(xiàn)了超材料在二維平面和多種自支撐復雜三維曲面之間的高保真、可逆重構(gòu)(圖1)。相關(guān)研究成果以《廣域可重編程形態(tài)重構(gòu)數(shù)智超表面》(Digintel metasurface of extensive reprogrammable morphing)為題發(fā)表在國際有名期刊《科學進展》(Science Advances)上(DOI:10.1126/sciadv.aef3895)，并入選當期首頁亮點圖片。論文第一作者為西安交通大學博士生林萬青，通訊作者為浙江大學博士后閆英博、西安交通大學覃華松副教授和劉益?zhèn)惤淌?。該工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、陜西省科協(xié)青年托舉人才計劃等資助。
 

　　力學解耦實現(xiàn)獨立形態(tài)控制
 

　　過往基于多穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的研究，常因單元間強烈的面內(nèi)力學耦合導致“牽一發(fā)而動全身”，難以實現(xiàn)局部形貌的獨立控制。本研究的突破性在于構(gòu)建了具有各向異性切換特性的雙穩(wěn)態(tài)單元(圖2)。該單元僅在特定方向受力時發(fā)生snap-through(突彈跳變)，并在切換后具備狀態(tài)“自鎖”功能。這種機制不僅實現(xiàn)了局部曲率的高效重構(gòu)，更確保了重構(gòu)后的形態(tài)在外部載荷下不發(fā)生失穩(wěn)，解決了傳統(tǒng)多穩(wěn)態(tài)材料在承載下形態(tài)失效的痛點。
 

　　數(shù)字編碼解鎖幾何形態(tài)倍增
 

　　DMS的核心競爭力，源于“數(shù)字邏輯”與“力學自鎖”的深度耦合，這一機制從根本上規(guī)避了傳統(tǒng)連續(xù)變形體系固有的幾何不確定性難題。依托雙穩(wěn)態(tài)單元的力學自鎖效應，系統(tǒng)無需持續(xù)供能即可維持構(gòu)型穩(wěn)定，從而將連續(xù)的物理形變空間離散為可尋址的數(shù)字信號，使每一組編碼唯一對應一種確定構(gòu)型。這種離散化的數(shù)字屬性，使得超表面可實現(xiàn)的獨立幾何構(gòu)型數(shù)量隨單元規(guī)模呈指數(shù)級增長，N × N單元可構(gòu)筑22N(N-1)種幾何形態(tài)。驗證表明，中等尺度(4×4)的陣列便能穩(wěn)定復現(xiàn)從零曲率平面(ZCP)到單曲率柱面(SCS)，乃至雙曲率鞍形或穹頂形(DCS)等多種拓撲形態(tài)(圖3)，在物理層面架起了連接數(shù)字信息與復雜三維幾何的橋梁，極大拓展了設計自由度與工程適用邊界。
 

　　AI逆向設計打通“所想即所得”
 

　　DMS編碼體系的建立雖為復雜形態(tài)的數(shù)字化表征奠定了物理基礎(chǔ)，卻也引入了巨大的“組合爆炸”挑戰(zhàn)：隨單元規(guī)模呈指數(shù)級增長的構(gòu)型空間，使得基于經(jīng)驗的傳統(tǒng)設計手段難以實現(xiàn)目標形態(tài)與單元編碼的確定性匹配。為此，團隊引入基于條件生成對抗網(wǎng)絡(cGAN)的機器學習框架，構(gòu)建目標曲面與單元數(shù)字狀態(tài)間的非線性映射模型(圖4)。該框架打破了傳統(tǒng)設計中材料、結(jié)構(gòu)與驅(qū)動的強耦合限制，能夠自動將輸入的連續(xù)三維形貌逆向解析為離散的二進制控制序列。這一數(shù)字驅(qū)動的新范式，將復雜超表面的設計由繁冗的試錯迭代轉(zhuǎn)變?yōu)楦咝У?ldquo;所想即所得”，打通了數(shù)字模型與物理實體間的轉(zhuǎn)化壁壘。
 

　　形態(tài)-力學-功能一體化調(diào)控
 

　　實驗表征與有限元仿真共同驗證了DMS優(yōu)異的力學特性與功能可擴展性。測試結(jié)果證實，DMS具有顯著的狀態(tài)依賴剛度與高穩(wěn)定性裕度，其雙穩(wěn)態(tài)單元在突彈跳變后展現(xiàn)出的力學自鎖效應，賦予了結(jié)構(gòu)優(yōu)異的承載能力和抗干擾特性。進一步地，研究揭示了“形態(tài)-力學-功能”的耦合機制：通過精確重構(gòu)表面微觀形態(tài)，超材料能夠主動調(diào)控近壁面流場結(jié)構(gòu)。DMS在工程中具有應用潛力(圖5)：在機械裝備領(lǐng)域，可作為智能柔性承載構(gòu)件，依托曲面構(gòu)型切換完成剛度自適應調(diào)節(jié)，實現(xiàn)不同載荷工況下的自主順應；在生物醫(yī)學領(lǐng)域，可發(fā)展為定制化矯形器或血管支架，實現(xiàn)力學性能的自動分級匹配；在航空航天領(lǐng)域，可作為變體飛行器機翼的蒙皮，實現(xiàn)氣動特性的主動適配。
 

　　本研究不僅克服了可編程表面領(lǐng)域的核心挑戰(zhàn)，更為“數(shù)字智能力學超材料”建立了一個可推廣的通用平臺。隨著物理世界與數(shù)字世界的界限日益模糊，DMS有望成為構(gòu)建未來自適應結(jié)構(gòu)、智能機器人及可重構(gòu)人機界面的基石。
 

　　引用：【科技自立自強】西安交大劉益?zhèn)惤淌趫F隊在數(shù)字智能超表面研究領(lǐng)域取得重要進展-西安交通大學【引用時間：2026年7月22日】