今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及具有自我进化形状变形的动态可重新编程表面、基于声拓扑绝缘体的异质结构的声波导传输、局部共振与腔共振耦合的超薄水下吸声超表面、栅极可调范德华二维金属/InSe结的电场屏蔽等，敬请期待！
索引：
1.具有自我进化形状变形的动态可重新编程表面
2.可重构和智能超表面的最新进展：调谐机制、硬件设计和应用（综述）
3.具有波长和偏振选择性的集成石墨烯太赫兹光电探测器
4.基于声拓扑绝缘体的异质结构的声波导传输
5.局部共振与腔共振耦合的超薄水下吸声超表面
6.栅极可调范德华二维金属/InSe结的电场屏蔽
7.多无人机自主协作的增材制造
8.微波驱控多自由度机器人
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具有自我进化形状变形的动态可重新编程表面
软物质可以根据与环境的相互作用或对信息的感知动态地重新配置其形状，这种软物质正在蓬勃发展。开拓性研究依赖于利用响应材料（如液晶弹性体、介电弹性体、响应水凝胶等）和多材料结构来实现大变形，但在对精细结构进行快速控制方面面临挑战。形状变形过程的设计通常需要先决条件的建模工作，然后将其编程到制造过程中，因此很难实时重新编程（如3D打印、磁化、激光或晶圆喷射切割以及机械屈曲）。想要在多种构型之间转换形状，需要研究各种架构和可编程刺激（如温度、光、磁场、电场和洛伦兹力驱动）。然而，在产生的非线性和高维系统中，输入-输出关系的传统逆向设计可能会导致难以建立分析解决方案或高计算成本问题。此外，现有的计算机辅助方法通常会留下系统和不可预见环境之间的缺陷、损坏或耦合。整合即时反馈对于变形过程来说是必要的，以便查看部署方案，从而精确地考虑特定、多功能或时变需求。
近日，美国杜克大学倪小越教授与美国西北大学王禾翎博士、黄永刚教授和John A. Rogers教授展示了一种由丝状金属线矩阵构成的力学超表面，由可重新编程的分布式洛伦兹力驱动，该力在静磁场存在下电流通过。由此产生的系统展示了复杂的动态变形能力，响应时间在0.1 秒内。在优化算法指导下，采用数字控制驱动方案实现现场立体成像反馈策略，得到的表面可以遵循自进化反设计，以高精度变形为广泛的3D目标形状，包括变形的能力，以对抗外部或内部扰动。这些概念支持一种数据驱动的方法来设计动态软物质，具有许多独特的特征。相关研究发表在《Nature》上。（徐锐）
文章链接：
Y. Bai, H. Wang, Y. Xue, et al. A dynamically reprogrammable surface with self-evolving shape morphing[J]. Nature, 2022, 609(7928): 701-708.
https://doi.org/10.1038/s41586-022-05061-w
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可重构和智能超表面的最新进展：调谐机制、硬件设计和应用（综述）
超原子是可以排列成周期性或非周期性阵列以形成2D超表面和3D超材料的构建块，而通过设计亚波长构建块的几何形状和排列可以实现更广泛的材料特性。超表面（相当于2D的超材料）是利用亚波长超原子在平面上的周期性或非周期性排列设计的人工结构。近年来，超表面快速发展，被广泛用于在微波、太赫兹和可见光区域实现众多新型器件和应用。由于广义Snell定律的提出，设计了空间梯度超表面，通过在两介质之间的界面处引入相位不连续，使其发生突变并操纵电磁波。因此，超表面已被用于实现广泛的应用，如全息摄影、异常反射、轨道角动量等。历史上，超表面的设计是为了实现特定入射波的单一功能，无法实现动态功能。通过设计多功能超表面，可以将多个功能集成到单个超表面中。许多这样的设计已经被提出来实现偏振控制、波长选择和多功能超表面。为了改变无源超表面的功能或工作频率，重新设计和重构是不可避免的。因此，通过调整超表面特性，可以实现对入射波的动态控制。近年来，可调、可重构和可编程超表面的概念被提出，以实现在电磁波上更高的自由度。这种设计具有加工后可重构的特点，在各种应用中具有巨大的潜力。随着亚表面技术的发展，可重构智能表面被认为是第六代（6G）通信的合适候选。
近日，深圳大学何业军教授对智能超表面的调谐机制、智能超表面的实际实现、传统反射式可重构智能表面和曲面进行了全面的综述。首先介绍了智能超表面的最新进展，包括可编程和空时数字编码超表面，以及未来可重构智能表面的研究方向。接着讨论了基于调谐机制的可调谐超表面的综合分类，如相变、光学、电气、机械和化学调谐。此外又讨论了数字和可编程超表面，包括空间、时间和时空数字编码超表面。然后讨论了可重构智能表面的基本原理、机器学习授权的可重构智能表面系统的框架，以及可重构智能表面与6G无线网络的新兴技术的集成。另外又介绍了一种新型的全空间电磁波操纵可重构智能曲面的研究方向。它对不同的操作协议、硬件原型和应用程序的性能进行了演示。最后，通过介绍主要研究机会和新出现的研究挑战的观点来结束这一综述。相关研究发表在《Advanced Science》上。（徐锐）
文章链接：
Y. Saifullah, Y. He, A. Boag, et al. Recent Progress in Reconfigurable and Intelligent Metasurfaces: A Comprehensive Review of Tuning Mechanisms, Hardware Designs, and Applications[J]. Adv Sci (Weinh), 2022: e2203747.
https://doi.org/10.1002/advs.202203747
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具有波长和偏振选择性的集成石墨烯太赫兹光电探测器
太赫兹波的频谱和极化状态可以携带并传递有关物理相互作用和材料性质的重要信息，在基础科学研究和在天文学、通信、生物医学和安全筛查等广泛领域的应用方面都具有巨大的潜力。通常可以利用机械开关滤波器和旋转偏振器控制特定波长范围以及偏振状态，然而这会导致系统更加复杂，为避免添加额外的光学元件，可以将各种功能集成在一个单片器件上。时域太赫兹探测器基于泵浦探测技术，能够直接探测完整的波形及偏振，但该系统的可移植性有限，并且采集速度相对较低，因此对兼具结构紧凑性、波长选择性和敏感的偏振光响应的检测器件的需求。
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基于声拓扑绝缘体的异质结构的声波导传输
拓扑绝缘体以体隙和带隙内边界态为特征，在凝聚态物理中受到广泛关注。近年来，拓扑绝缘体已成功地实现在光子、机械和声学系统中。受益于宏观的性质，声子晶体（PC）是一个探索和实践声波拓扑效应的强大平台。在二维空间中，存在时间反转对称性的声学拓扑绝缘体主要有两种类型。第一种是由具有赝自旋自由度的自旋Chern数描述的体拓扑，类似于电子体系中的量子自旋霍尔绝缘体。另一种具有具有谷自由度，称为声学谷霍尔绝缘体。
根据传统的体边界对应关系，上述声学拓扑绝缘体具有一维螺旋边界态，即赝自旋和谷动量锁定，对无序和缺陷具有鲁棒性。基于这些独特的性质，拓扑边界态产生了许多有趣的声波传输现象，包括拓扑折射、定向准直、声导航、分束器和拓扑开关。然而，这些拓扑边界态在边界上明显地定位，抑制了高容量传输，从而限制了应用潜力。
近日，武汉大学的刘正猷教授课题组实现了一个声学拓扑异质结构（ATH），它由三个PC域组成，即半金属相夹在两个双狄拉克锥相之间。一对螺旋波导状态被证明能够实现高容量传输，并对ATH中的紊乱和结构缺陷具有鲁棒性。更重要的是，作者在实验中进一步探讨了拓扑波导模的体划分和波束准直，从有限和可控域宽度的弯曲拟合。观测结果与模拟结果一致。相关工作发表在《PHYSICAL REVIEW APPLIED》上。（郑江坡）
文章链接：
10.1103/PhysRevApplied.18.034066
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局部共振与腔共振耦合的超薄水下吸声超表面
潜艇的隐身能力对水下航行至关重要。近几十年来，消声层的设计逐渐发展成为一种吸收水声的有效方法，包括降低目标强度和抑制辐射噪声。参考声子晶体的研究，科研人员对水下吸声超表面进行了大量的研究，包括共振耦合效应对带隙增宽，吸声的局域共振机制，多梯度散射体增宽吸声峰方法，水下增透特性，以及多腔、空洞和背板对水下吸声的影响。水下吸声超表面主要选用橡胶、聚氨酯、环氧树脂等聚合物作为基体材料，实现与水的阻抗匹配。但由于基体材料损耗小，难以达到理想的吸收效果。加入微粒、玻璃微珠和碳纤维可以改善基体-材料的损耗，但保留了一个高吸收峰。局部共振法，用大密度材料填充软基质材料，打破质量密度规律，在特定吸声频带内获得较高的吸声系数。同样，空腔共振法在基体材料中引入不同形状的空气空腔，在降低基体材料刚度和增加基体材料中的声反射路径方面发挥了两个作用。刚度的降低有利于提高低频吸声性能，反射路径的增加触发多种共振模式，提高高频吸声系数。然而，局部共振法和腔共振法都不具有宽带吸声的效果。此外，较低的密度和较低的弹性模量明显不足以抵抗静水压力。
近日，西安交通大学机械工程学院梁庆宣副教授课题组基于局部共振和腔体共振的集成原理，提出了一种具有低频、宽带、高效吸收、高抗静水压性能的超薄水下超表面。研究人员利用遗传算法的全局优化能力克服了设计参数的复杂性。作为示范，在超薄厚度为32 mm的情况下，在500-10000 Hz范围内的平均吸声系数达到92.3%，其中在4670-8630 Hz范围内的吸声系数超过99%。在所提出的超表面中，三个子表面的复杂表面阻抗为利用等效电路模型研究高效吸声耦合机制提供了独特的视角。进一步的研究表明，在4.5 MPa静水压力下，该材料仍能保持良好的高效吸声性能。该水下吸声超表面为水下降噪领域开辟了一条新的应用途径。相关研究工作发表在《Physical Review Applied》上。（丁雷）
文章链接：
Jiaming Feng et al. Ultrathin Underwater Sound-Absorbing Metasurface by Coupling Local Resonance with Cavity Resonance,PRApplied(2022).
DOI: 10.1103/PhysRevApplied.18.034054.
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栅极可调范德华二维金属/InSe结的电场屏蔽
电荷载流子浓度的静电控制是场效应晶体管(FET)的基础，随着FET小型化到纳米级，静电控制变得尤为重要。静电屏蔽通过降低肖特基势垒高度的调制，可以减弱垂直场效应管对栅极电场的响应程度，这不利于垂直器件结构中的静电调制，器件的性能受到极大影响。为了降低屏蔽效应，通常在光刻中引入一些图案结构对金属电极进行降维处理，这使FET的开/关比得到显著提高。然而，当器件进一步缩小到10 nm左右时，由于光刻机分辨率的限制，这种策略将面临失效。
近日，南京理工大学刘伟教授研究团队提出了一种描述二维金属-半导体结(MSJs)中界面静电屏蔽的通用模型，揭示二维MSJs中界面静电屏蔽与肖特基势垒高度调制之间的关系。通过将热离子场发射理论与所提出的模型相结合，进一步预测了一系列二维MSJs的开/关比，其中基于α-石墨烯的MSJs具有最大的开/关比。该工作揭示了范德华间隙对二维MSJs界面复杂静电屏蔽的决定作用，为低维电子器件的设计提供了指导原则。相关工作发表在《Advanced Functional Materials》上。（袁铭谦）
文章链接：
T. Shen, J. Liu, X. Y. Liu, et al. Electric Field Screening in Gate-Tunable van der Waals 2D-Metal/InSe Junctions. Adv. Funct. Mater. (2022).
https://doi.org/10.1002/adfm.202207018
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多无人机自主协作的增材制造
与基于装配的方法相比，增材制造能够自由灵活地用于几何可变模型的生产设计，从而提高效率并降低成本。然而目前现场施工的大型增材制造主要通过地面机器人和龙门起重机电系统实现。这些技术需要将机器人硬件放大到比所需制造范围更大的尺寸。此外，这些大规模系统需要连接到电源，限制了灵活应用的能力，例如在偏远、恶劣的环境中制造、检查和维护、维修。因此，在这些情况下，运输或安装大型基础设施是不可行的。作为大型单一机器人系统的替代方法，小型移动机器人协同工作可以提供更大的灵活性用于构建比单个机器人本身更大的几何图形，并有可能高效和自适应地分布在多个建筑区域。然而，使用机器人协同制造的研究还处于早期探索阶段，目前主要集中在建筑构件的组装上。此外，目前的多机器人协同工作的增材制造方法作业高度有限，并呈现不受限制的操作或机器人彼此擦肩而过或向上和向下移动的能力受限，因此，在制造的具有挑战性几何形状方面迄今尚未解决。
近日，伦敦玛丽女王大学张克涛，伦敦帝国理工学院空中机器人实验室、瑞士联邦材料实验室Mirko Kovac教授通过将生物合作机制与工程原理相结合，使用多个无人机协作实现了自主增材制造的并行工作。1）能够进行高精度材料堆积打印，并实时评估打印质量；2）空中机器人能够实现无线共享数据，互不干扰；3）自主导航和任务规划系统，结合打印路径策略自适应地确定和分配制造任务；4）适用于空中增材制造方法，无需支撑或临时脚手架。为未来在无边界、高空或难以接近的地点建造建筑提供了可能性。相关研究发表在《Nature》上。（何玉龙）
文章链接：
Ketao Zhang, Pisak Chermprayong, Feng Xiao, Robert Stuart-Smith5 & Mirko Kovac. Aerial additive manufacturing with multiple autonomous robots [J]. Nature, 2022, 609:709-717. https://www.nature.com/articles/s41586-022-04988-4
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微波驱控多自由度机器人
微波由于具有良好的远场传输、穿透障碍物、波定向/聚焦、信息携带和相控阵天线的非机械转向等能力，逐渐成为一种流行的无线功率传输策略，在军事、工业、民用等领域具有广泛的应用前景。除了提供能量，与其他基于静电场的无线驱动方法相比，使用微波的无线驱动系统可能通过微波的偏振方向和频率提供独特的控制信息。此外，微波还可以通过相控阵技术灵活、快速地实现偏振方向控制。而且，微波不仅是能量的来源，而且是传播的频率、相位、偏振方向等方面的载体。因此通过解码微波中的载波信息来实现机器人系统的多自由度控制是有潜力的。但是，由于微波致动器的结构和工作原理研究较少，还没有实现利用单个可调微波源对多自由度机器人的控制。首先，致动器的响应应该足以在远场实际使用，而不仅仅是在微波炉中；其次，利用微波的特性，单个发射系统很难控制整个致动器系统，这将简化机械系统的复杂性，同时增加对环境电磁干扰中微波的分辨，这严重限制了微波驱动(MWD)机器人的发展。
近日，哈工大威海校区机器人研究所软体机器人实验室赵建文教授首次通过改变 2.47 GHz微波的偏振方向来调整能量分布，实现了对微波驱动并联机器人的控制。该并联机器人基于三个由吸波片和双金属片组成的双层弯曲致动器，它可以在700W发射功率下实现0.4 m的圆形和三角形路径运动。通过结合这两种材料，实现了微波驱动的致动器，其具有材料易得，制造工艺简单，成本低等特点。同时，这种方法证明了利用微波的机器人的多自由度可控性，并为管道/反应堆检测和医疗应用等工程应用提供了潜在的解决方案，相关研究发表在《Advanced Science》上。(何玉龙)
文章链接：
Yongze Li, Jianyu Wu, Peizhuo Yang, Zhiguang Xing and Jianwen Zhao. Multi-Degree-of-Freedom Robots Powered and Controlled by Microwaves [J]. Adv. Sci, 2022: 2203305. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202203305
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