以蜜蜂针为灵感，科学家研发超表面结构，能用于航空航天和机器人

对于一种结构来说，它的传热特性和机械特性在设计端上往往是两个十分独立的研究课题。如果希望这种结构拥有良好的传热特性，那么就得牺牲一定的机械性能。

然而，在大飞机、卫星、机器人等应用终端商，人们都希望能实现热控-承载多性能一体化的设计方案。

同时，鉴于这些设备复杂的服役环境，也让相关人员必须考虑热力性能在不同区域高度的异化设计，而这会给现有设计方案带来很大挑战。

为解决上述问题，上海交通大学王洪泽教授开始关注到承载结构的界面。

他表示，对于材料的界面来说，它往往可以调控结构的传热性能和多材料复合的机械性能，从而能为超结构热力性能控制提供潜在解决方案。

在近期一项研究之中，他和团队通过引入蜂针高度各向异性的几何结构，实现了超结构界面的可编程热力设计方案，借此解决了先进构件热控-承载一体化设计的难题。

王洪泽表示：“最早规划本次研究时，我们受到了蜂针的仿生启发。”

蜜蜂针，是一个既有趣又奇特的功能性结构，它的针由很多倒刺组成，这让蜂针界面有着极为特殊的各向异性热力特性。

同时，他们也关注到此前有不少研究人员都曾探索过蜂针这类结构在医疗器件上的应用。

但是，对于超结构来说，即使它拥有十分丰富的界面设计空间，然而并未有人针对其界面进行可编程化设计，也没有人研究过这类奇特结构的热力特性。

带着这些问题，课题组重现了蜂针的几何特征，并研究了其在不同角度下的热力性能。

借此发现：这类结构具有极强的各向异性，因此是一种十分优质的界面编程基元。

于是，他们又通过提出新的方法，来设计这类可编程的超结构界面。进一步发现：这类超结构中的超界面，能够针对热力性能实现良好的可编程化调控。

在 AI 技术的帮助之下，他们还实现了新颖的热力学被动调控和主动可编程调控。并且，通过采用机器学习的方法，来预测复杂的热流特性。

而由于这是一类此前未曾报道过的界面，为此他们专门给它起了一个名字，并将其命名为“超界面”。

据王洪泽介绍，这是首个通过 3D 打印可编程设计方案，来实现超结构界面热力性能调控的成果。

谈及应用前景他表示：“如前所述，本次研究主要面向先进构件热力性能的可编程设计难题而开展，在航空航天、机器人等领域都具有非常可观的应用价值。”

举例来讲，目前很多卫星热控系统仍然采用分体组装的热管和承载结构，这给卫星的结构减重和综合服役性能提升带来了很大挑战。

要想让此类结构实现热力性能的一体化设计，不仅要关注超结构承载单元本身，还要开发一个新维度的设计空间。

而本次研究通过进一步编程超结构界面设计的方式，针对热力性能实现了综合化、智能化、高度可编程化的调控，从而能够实现卫星热管热力结构的一体化高性能设计。

日前，相关论文以《基于热力主动可编程仿生单元的超界面》（Metainterfaces with mechanical, thermal, and active programming properties based on programmable orientation-distributed biometric architectonics）为题发表在Materials Horizons[1]。

高振洋是第一作者，王洪泽、吴一担任通讯作者。

未来，他们希望能够实现增材制造全流程的智能化。“结构设计距离应用非常近，同时又十分新颖。后续，我们计划开发更加奇异的超结构，也将推动这类结构在航空航天、机器人等领域的相关应用。”王洪泽表示。

同时，他们也正在开展和 AI 相关的工作，例如课题组目前在增材制造工艺、熔池观测、结构热力性能和后处理过程中，都已经引入 AI 技术。

希望 AI 能够帮助他们更好地优化增材制造全流程，不断研发出新材料，最终推动工业界的应用。

参考资料：

1.Gao, Z., Wang, H., Ren, P., Zheng, G., Lu, Y., Peng, B., ... & Wang, H. (2024). Metainterfaces with mechanical, thermal, and active programming properties based on programmable orientation-distributed biometric architectonics.Materials Horizons, 11(17), 4037-4053.

运营/排版：何晨龙