超材料前沿研究一周精选 2020年4月13日-2020年4月19日

可折叠翅膀的快速展开和承载能力增强了飞行和滑翔动物运动的灵活性。折叠翅膀的快速展开可以使动物快速地从地面移动到空中，从而使它们能够适应剧烈的环境变化或捕食过程中遇到的困境。展开机翼的承重能力通过防止机翼失效来确保飞行的稳定性，否则在飞行过程中应用的空气动力会导致机翼失效。为了实现这些特性，鸟类在飞行过程中不断控制平衡它们的肌肉和骨骼。与鸟类不同，昆虫的翅膀是膜质，没有骨头，也没有肌肉；因此，它们必须使用翅膀上特定的图案结构来适应环境，规避风险。折纸可以使结构紧凑并且能减轻重量。然而，在传统设计中，折纸结构的切面基本上是不可变形的刚性板。因此，要在这些结构中实现能量存储和鲁棒的自锁是具有一定挑战性的。

近日，韩国首尔国立大学软体机器人研究中心Sang-Min Baek等人注意到瓢虫复杂折叠的翅膀可以迅速有效地展开，在飞行中维持空气动力；这些能力来源于这种昆虫翅膀上特殊的血管的几何形状和变形。受瓢虫飞行的启发，顺应面的变形和几何形状使大的能量存储和自锁在一个单一的折纸关节。在此基础上，研究人员开发了一种可展开的滑翔机多模态机器人模型。该模型能在116毫秒内迅速展开，并能承受重量可达210克(150倍自身重量)。此外，滑翔机模块具有可折叠性好、可快速展开、能有效维持气动力等特点。与此同时，将该折纸技术应用到两个机器人上：一个可展开的滑翔机模块和一个折纸跳跃机制。结果表明，引入柔性折纸是能够增强机器人系统的动力学和静态性能。该工作还可以将顺应性的折纸集成到复杂的折纸结构中。相关研究发表在《Science Robotics》。（丁雷）

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Sang-Min Baek et al, Ladybird beetle–inspired compliant origami, Sci. Robot. 5, eaaz6262 (2020).DOI: 10.1126/scirobotics.aaz6262.

触觉对于熟练的操作和物体感知至关重要，它依赖于将皮肤和皮下组织收集的机械信号编码成神经过程的特性表征。虽然神经对触觉刺激的反应往往与小区域皮肤引起的机械输入相关，但最近研究人员发现动态接触引发机械电波传遍整个手的触觉频率范围，并且瞬态激励在30毫秒内衰减。人们发现，这些由触觉触发的波可用于细微的知觉辨别，并可用于推断动作、触摸对象的属性和与手接触的位置的判断。

近日，美国加州大学圣巴巴拉分校Yitian Shao等人对这些波进行一种有效的触觉信息编码。对数千种自然发生的触觉刺激进行最优编码的计算，生成了一个紧凑的原始波模式词典，稀疏地表示整个数据集，使触觉交互的分类准确率超过95%。原始的触觉模式反映了手的解剖生理结构与波动物理的相互作用。值得注意的是，当研究人员将有效的编码标准应用于模拟触觉传入人群的峰值数据时，出现了类似的模式。这一发现表明，手的生物力学通过影响触觉信息的神经元压缩来实现有效的感知处理。此外，这一新知识修正了现有的触摸感知观点，并可能有助于理解手的感觉功能和影响触觉的缺陷。对指导电子触觉传感器的设计，利用波的传播能力来交流触摸信息有重要意义。以此原理为基础开发的设备可能在机器人、假肢和医学方面产生重要的应用。相关研究发表在《Science Advances》上。（丁雷）

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https://advances.sciencemag.org/content/6/16/eaaz1158

近年来，土木工程领域与其他各个领域逐渐融合，并呈现出技术趋同的趋势。智能监测是近年来土木工程中光纤传感器的发展方向之一。光纤传感器可分为分布式光纤传感器和光纤光栅传感器。FBG传感器只能监测光栅上的特定点，但分布式光纤传感器能够连续测量安装光纤传感器的任何点的应变。为了分析桩荷载试验中桩的受力性能，传统的监测系统，如振弦应变仪和延伸仪，安装在桩上只能在离散的位置测量应变和位移的变化。

为了识别连续飞行螺旋钻桩（CFA）的受力性能，近期，苏州西交利物浦大学Hyungjoon Seo采用分布式光纤监测系统和三维激光扫描技术，以及传统的振弦应变仪、延伸仪等仪器，采集了连续飞行螺旋钻桩试验过程中的应变和点云数据。基于布里渊光学时域反射(BOTDR)光纤应变剖面，可以得到轴向载荷、表面摩擦和位移的分布。将光纤监测系统与常规监测系统进行了比较，发现全应变曲线的测量能力对测定CFA性能的具有很大的优势。此外，利用安装在桩顶的线性电压距离传感器（LVDT）测量桩身位移，并与激光扫描结果进行对比。同时利用BOTDR光纤应变仪在CFA桩顶附近检测负摩阻。虽然其他监测系统无法确定负摩阻力产生的原因，但激光扫描结果表明，锚桩拉拔力引起的地面振动对负摩阻力产生了影响。激光扫描虽然不足以实时测量试桩过程中的数据，但从三维激光扫描的监测数据中可以获取大量的信息。相关研究工作发表在《Optics and Lasers in Engineering》上。（丁雷）

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Hyungjoon Seo，Monitoring of CFA pile test using three dimensional laser scanning and distributed fiber optic sensors，Optics and Lasers in Engineering 130 (2020) 106089.

doi.org/10.1016.

作为一种能量流的特殊形式，单向波传播已经引起了各个领域研究人员的日益关注，该能量流在电子，光子，机械和热系统中提供了至关重要的功能。在设计使能量通量以单向方式传播的材料和设备中，采用了时空反转对称性破坏的概念。开关和整流设备彻底改变了现代科学和工业领域。非线性，结构不对称，磁场以及时变对能量的单向传输的影响也得到了广泛的研究。相应的声学单向传输的开发也至关重要，在这种情况下，定向声波可以为锐化超声图像提供竞争性解决方案，从而实现新型的噪声控制和声学逻辑开关。

单向波传播会引入强烈的与方向有关的能量响应，因此，极大地有益于开关和逻辑器件的构造。这种效果在声学方面引起了很多关注，但实际上无法解决向前传输效率不足的根本问题。来自加州大学伯克利分校的研究小组提出了一种单向结构，该结构通过实验实现了近乎全部的前向声波传输，同时仍保持了宽带的高对比度和单模特性。实验观察到的整流是通过综合设计实现的，该设计结合了声波模间过渡，选择模式滤波和腔共振，以实现强大的波-结构相互作用。所展示的简单性和灵活性使该材料成为有吸引力的集成解决方案，为生物医学超声检查，高性能声学传感器和噪声控制提供了一种替代控制方法。相关研究发表在杂志《Physical Review Applied》上。（刘乐）

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https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.13.041001

下一代通信系统将需要多功能设备，这些设备必须适应不同的使用和环境要求，从而增强用户体验并提供更好的信息交换。在这种新兴的范式中，由于其集成能力和控制波的优秀性能，超构表面被定位为实现多功能响应的首选平台。通过改变时空中每个组成元素的局部特性，可以创建具有不同散射效应的超构表面。超表面可被视为多端口设备，能够同时控制在多个传播方向上进出的波。遵循多端口网络的经典表示法，可以通过散射矩阵对超表面的属性进行建模，其中每个元素Sij表示出向端口i的出波与从端口j的入射波之间的通量振幅之比。如果假设在散射过程中没有频率转换，则超构表面的功能可分为两类：以对称散射矩阵为特征的互易性超构表面和散射矩阵不对称的非互易性超构表面。

来自芬兰阿尔托大学的研究小组将各种互易的应用程序集成到了一个平台中。所提出的结构基于由接地的电介质衬底支撑的时空调制阻抗片。研究者表明，通过工程设计激发的倏逝波，可以配置实现想要的对输入波的非互易作用。并且还展示了在同一个超构表面上的大量不可互易组件，例如波隔离器，移相器和循环器。该平台允许通过修改泵浦信号（谐波或非谐波）在不同功能之间进行切换，而无需更改超表面结构的主体。该解决方案为将来的实时可配置和环境自适应的不可逆波控制器打开了大门，相关研究发表在杂志《Physical Review Applied》上。（刘乐）

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https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.13.044040

表面粗糙度对薄膜材料的磁学输运性质具有十分巨大的影响，这一影响在超薄薄膜材料中更加显著。近日，来自阿卜杜拉国王科技大学的Xixiang Zhang团队系统研究了表面粗糙度对Fe薄膜中反常霍尔效应的影响。通过选择不同的种子层，作者制备了具有不同表面粗糙度的Fe薄膜并研究了其电输运性质及反常霍尔效应。随着表面粗糙度的提高，5K时样品的纵向电阻率提高了一个数量级，同时反常霍尔电阻率提高了3倍。在对反常霍尔电阻率分析的过程中，分离了本征效应、斜散射与边跳跃的贡献。实验证明反常霍尔角与表面粗糙度存在相关，这一工作有助于在材料工程领域实现大自旋霍尔角的材料的制备。相关工作发表在近期出版的《Physical Review B》杂志上。（狄琛）

Fe薄膜中的反常霍尔效应，图中横轴为纵向电阻率，纵轴分别为反常霍尔电阻率、本征霍尔电导率、非本征反常霍尔电阻率和反常霍尔角

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https://doi.org/10.1103/PhysRevB.101.134412

太赫兹（THz）波的频率介于0.1 THz到10 THz之间，介于微波和光波之间，由于在此频率范围内缺少许多功能性设备，因此被称为“ THz间隙”。太赫兹频谱带提供了更高的可用带宽，可以满足对更高数据传输速率的不断增长的需求。 THz频谱带是6G移动通信网络发展的关键，6G移动通信网络需要能够以每秒TB的速度在数千米的距离内无线传输数据。THz频谱带也可用于解决长期存在的互连问题，以实现高速，节能和低成本的芯片内/芯片间通信互联。为了实现这些目标，我们需要一种低成本，高效解决方案来实现片上THz波导及对其操控的集成。传统常规实现太赫兹波导的方法包括空心金属波导，金属传输线，光子晶体，金属线和太赫兹光纤。但是，这些常规方法对诸如制造缺陷的缺陷和在尖角处的相当大的弯曲损耗具有敏感性。

最近发现光的拓扑相（PTI）为上述问题提出了可能的解决方案。然而，现阶段对PTI的实验研究主要上局限于微波和光频率，而THz PTI的实现却受到可用于THz区的材料平台和表征工具的限制。近日，来自Nanyang Technological University和Osaka University的研究人员以PTI为基础，通过在全硅芯片上构建几个尖锐弯折的波导，证明了稳健的太赫兹拓扑谷传输。谷态由于其具有鲁棒性，单模传播和线性色散而成为极好的信息载体。并且，他们展示了通过该拓扑芯片以每秒超过10吉比特的传输效率实现了无错误通信，该数据传输速率能够实时传输未压缩的4K高清视频。相关成果发表在《Nature photonics》上。（张子栋）

文章链接：

https://doi.org/10.1038/s41566-020-0618-9

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