湖南大学吴英鹏教授团队Adv. Funct. Mater.：基于液态金属的可重构/可并行计算软机械开关

一、导读

将具有可变形性和灵活性的软材料引入到机械开关中，有助于开发具有可重构和并行计算等特性的新型软机械开关。尽管已有研究开发出了软机械开关，但它们仍存在一些问题，如开关比低、响应时间慢、耐久性不足以及不具备可重构特性。并行计算是一种不同于传统逻辑计算中使用的冯·诺伊曼串行计算的算法，目前尚未在机械开关中得到发展。因此，将软材料引入机械开关，以实现现代电子技术所要求的可重构特性和并行计算功能，仍然是一个挑战。

二、成果掠影

为了解决这一问题，湖南大学吴英鹏教授团队构建了一种基于液态金属（liquid metal, LM）和锯齿形结构的新型软机械开关，与现有软机械开关相比具有高开关比（> 10⁷）、短响应时间（~0.2 s）、长期耐用性（>2000次）、自修复性能和优异的机电协同特性。此外，结合所设计的机械单元和并行计算架构，该开关可以重构出所有类型的逻辑门并实现信息处理。该成果以“Reconfigurable and Parallel Computable Soft Mechanical Switch by Liquid Metal”为题发表在Advanced Functional Materials上。

三、核心创新点

1.设计并构建了基于液态金属和锯齿形结构的新型软机械开关，具有高开/关比（>10⁷）、稳定的短响应时间（~0.2 s）、长期耐用（>2000次），自修复特性和良好的机电匹配特性。

2.基于上述特点，设计了一种实现软机械开关可重构的机械单元。通过这种机械单元，可以构建所有类型的逻辑门，具有独特的可重构特性。

3.设计了一种基于软机械逻辑开关的包含单指令多数据和多指令多数据的并行计算体系结构，并将其应用于信息处理。

四、数据概览

图1. LM-SMS (LM and zigzag structure) 的结构设计和特性:a) LM-SMS的结构和可逆导电机理示意图，以及LM-SMS的光学照片。b) LM-SMS、弹性体和半导体材料在开关比性能上的比较。c) LM-SMS在2000次应力-应变循环下的电阻。插图是由LM-SMS和LED组成的电路的光学照片。d) 在150%应变下，Galinstan（损伤和自修复）、银胶和固体Ga器件的三次应力-应变循环电阻。e) 不同应变下LM-SMS的应力-应变曲线。f) 基于LM-SMS的机械单元的光学照片。插图为终端控制器，g) 用于信息处理的三个逻辑电路图。

图2. 结构分析与机理探索:a) LM-SMS在0%、40%和80%应变下的结构变化的模拟结果。b) 在0%、40%、80%、100%和120%应变下，9个不同位置的分离位移的模拟结果。 c) 单个锯齿在静息状态和拉伸状态下的模拟结果和机理分析（A：锯齿底；B：锯齿顶；C：锯齿表面）。 d) 拉伸前后LM-SMS的光学照片。 e) 平面结构和锯齿状结构在拉伸-释放过程中电阻随时间变化的关系。 f) 三个封装位置的示意图。比例尺为1厘米。 g) 四个LM喷涂位置的示意图。大括号的颜色与图左侧符号的颜色对应。相同的颜色表示相同的封装位置或相同的LM喷涂位置。

图3. LM-SMS的电学性能:a) 三个封装位置的LM-SMS电阻与应变的关系。插图是平均应变。 b) 三个封装位置的开/关状态转换的响应时间。 c) 四个LM喷涂位置的LM-SMS电阻与应变的关系。插图是平均应变。 d) 四个LM喷涂位置的开/关状态转换的响应时间。 e) 三个LM喷涂宽度的LM-SMS电阻与应变的关系。插图是平均应变。 f) 三个LM喷涂宽度的开/关状态转换的响应时间。 g) 四种拉伸速率下的LM-SMS电阻与应变的关系。插图是平均应变。 h) 两片涂有Galinstan的PSR（Polysulfide rubber）在原始状态和拉伸状态下的示意图。 i) 两片涂有Galinstan的PSR在拉伸-释放过程中电阻与时间的关系。

图4. 具有机电协同特性的LM-SMS用于逻辑门:a)“OR”门逻辑电路的输入输出电压信号。 b)“AND”门逻辑电路的输入输出电压信号。 c)“NOT”门逻辑电路的输入输出电压信号。 d) 自修复后的LM-SMS构建的“OR”门逻辑电路的光学照片。LED用于指示输入信号。液晶显示器（LCD）用于指示输出信号。比例尺为5厘米。

图5. 可重构和可并行计算的LM-SMS用于智能信息处理:a) 串行计算和并行计算的示意图及特性。b) 基于LM-SMS的并行计算架构的示意图，由8个LM-SMS和4条指令组成。 c-e) LM-SMS用于可重构和可并行计算的三种信息处理案例。A、B、C、D为信息处理系统的逻辑输入，Y1、Y2、Y3、Y4为信息处理系统的逻辑输出。

五、成果启示

综上所述，本文设计了一种基于液态金属、自修复聚合物和锯齿形结构的新型软机械开关。通过压缩和拉伸软机械开关，可以实现液态金属导电路径的连接和断裂，从而实现软机械开关的导通和断开。在工作过程中，结构的不均匀性和应力集中导致稳定的短响应时间和高开/关比，而液态金属和自修复聚合物提供了耐久性和稳定性。为了增强软机械开关的功能，我们设计了一个机械单元，以实现软机械开关的可重构和并行计算。在该机械单元中，可以通过编程同时控制多个不同方向的软机械开关变形，并进一步改变它们的开/关状态以及逻辑输入和输出的组合，改变逻辑门的类型。因此，可以形成可重构的逻辑门和并行计算架构，并用于实现信息处理。本研究所提出的具有稳定的短响应时间、可重构和可并行计算的软机械开关，可以为柔性电子和智能机械控制系统的发展提供思路。

原文详情：

题目：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*

文章链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202312511

本文由文章团队供稿。

课题组简介

吴英鹏教授课题组隶属于湖南大学化学化工学院、化学生物传感与计量学国家重点实验室。现有教授1人，副教授1人，博士后3人，博士硕士研究生20余名。课题组负责人吴英鹏教授为湖南大学化学化工学院化学系主任、博士生导师、湖南大学岳麓学者、湖湘高层次人才聚集工程创新人才、国家高层次人才计划。近年来，发表论文60余篇，累计引用超过10000次，h因子37。其中第一作者/共同第一作者/通讯作者论文包括：Nature, Nature Photonics, Nature Communications, Energy & Environmental Science, Angew, Advanced Material, Advanced Energy Materials, ACS Nano等国际著名杂志。课题组研究工作主要围绕能量的存储与转化展开，包括但不限于：1）铝离子电池等储能器件；2）绿色能源材料应用于催化领域；3）先进功能合金系统：高熵合金、液态金属、记忆合金等。课题组常年招收博士后、访问学者。