精確而靈活的熱控制對于眾多尖端技術(shù)領(lǐng)域至關(guān)重要，包括電子設(shè)備的冷卻與熱管理、廢熱回收利用，以及生物細(xì)胞溫度的精細(xì)調(diào)控。近年來，基于超構(gòu)材料的革命性創(chuàng)新已在熱管理領(lǐng)域引起轟動。然而，目前熱超構(gòu)材料的發(fā)展主要集中在監(jiān)控模式或者預(yù)設(shè)場景中，而在實際場景中，外部環(huán)境是實時可變的。隨著人工智能時代的來臨，智能化技術(shù)的融入顯著提升了熱量控制的自適應(yīng)性、靈活性和調(diào)節(jié)能力。理想狀態(tài)下，熱超構(gòu)材料應(yīng)當(dāng)具備對外部變化的抵抗力，保持其功能的穩(wěn)定性，或者能夠在需求驅(qū)動的場景中自動轉(zhuǎn)換，展現(xiàn)出廣泛的功能可調(diào)性。然而，至今，這種具備自我感知和主動適應(yīng)能力的活性超構(gòu)材料尚未成為現(xiàn)實。
近日，復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系/應(yīng)用表面物理國家重點實驗室黃吉平教授課題組與新加坡國立大學(xué)仇成偉教授課題組合作，他們利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)開發(fā)了一種能夠增強熱傳遞效能的活性超構(gòu)材料。這種材料的有效熱導(dǎo)率能夠根據(jù)溫度梯度進(jìn)行響應(yīng)調(diào)整。這種深度學(xué)習(xí)輔助的非線性熱材料，推動了兩種自適應(yīng)設(shè)備的發(fā)展，它們具備對環(huán)境的深度感知能力。在多變的環(huán)境條件下，一種設(shè)備能夠保持其功能的穩(wěn)定性，而另一種則能夠根據(jù)需要切換其功能，從而有效提升熱輸運效率。
圖1：深度學(xué)習(xí)助力的活性超構(gòu)材料。
圖1展示了這種活性熱超構(gòu)材料的結(jié)構(gòu)，它由四個主要部分組成：一個溫度采集模塊（紅外相機）、一個搭載預(yù)訓(xùn)練人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計算機系統(tǒng)、一個步進(jìn)電機，以及一個雙層結(jié)構(gòu)。其設(shè)計理念在于根據(jù)周圍環(huán)境的溫度信息反饋，來調(diào)整目標(biāo)區(qū)域的有效熱導(dǎo)率。作為概念驗證，研究人員構(gòu)建了一個具有雙層結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)二維系統(tǒng)。其中，目標(biāo)區(qū)域是由聚二甲基硅氧烷（PDMS）構(gòu)成的核心區(qū)。內(nèi)層由近似絕熱的硅樹脂墊組成，用于精確控制核心區(qū)域的熱場，而外層則是由鎂合金構(gòu)成的補償層，旨在不干擾背景（鉻鎳鐵合金）的熱場。為了將“智能化”融入系統(tǒng)，研究人員利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來建立提取的溫度信息和核心區(qū)域轉(zhuǎn)速之間的關(guān)聯(lián)。通過使用預(yù)先準(zhǔn)備的數(shù)據(jù)集來訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，便可以配置活性超構(gòu)材料的有效熱導(dǎo)率，使其根據(jù)周圍溫度變化而調(diào)整。
圖2：材料功能表征。
研究人員運用有限元模擬來評估活性超構(gòu)材料的性能。在該系統(tǒng)中，左端連接到熱源，而右端連接到冷源。在模擬過程中，冷源的溫度固定在283 K，而熱源的溫度則是可變的。研究人員首先收集了在三種不同熱源溫度設(shè)定（分別為293 K、303 K、313 K）下，如圖2a所示的黃色虛線圓圈內(nèi)N = 36個均勻分布位置的溫度數(shù)據(jù)。對于每種情況，首個數(shù)據(jù)點是位于虛線圓圈中標(biāo)記為0°位置的溫度，并且這些位置的溫度是按逆時針方向收集的，作為預(yù)訓(xùn)練人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層的數(shù)據(jù)。因此，通過預(yù)訓(xùn)練的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在這三種溫度設(shè)定下，聚二甲基硅氧烷（PDMS）的轉(zhuǎn)速分別計算為0.10、0.00067和0 rad s-1。在有限元模擬中設(shè)置了熱源溫度和核心區(qū)域轉(zhuǎn)速后，研究人員展示了這三個溫度設(shè)定下雙層結(jié)構(gòu)的溫度分布（顏色分布），見圖2b。值得注意的是，無論PDMS的轉(zhuǎn)速如何變化，背景的溫度分布始終保持不變。最后，核心區(qū)域中相應(yīng)的溫度梯度分布如圖2c的右側(cè)部分所示。為了進(jìn)行比較，研究人員還展示了在三種熱源設(shè)定下純背景核心區(qū)域中的溫度梯度分布，見圖2c的左側(cè)部分。正如預(yù)期，最低/最高熱源與冷源的溫度差與最高/最低核心區(qū)域轉(zhuǎn)速（或等效地，核心區(qū)域的最高/最低有效熱導(dǎo)率）之間存在一種映射關(guān)系。此外，在核心區(qū)域中，原始的溫度梯度可以被調(diào)整為更廣范圍的溫度梯度。
圖3：實驗裝置。
整個實驗裝置由四部分組成：紅外相機、配有預(yù)訓(xùn)練人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計算機系統(tǒng)、步進(jìn)電機和雙層結(jié)構(gòu)（圖3）。雙層結(jié)構(gòu)兩側(cè)連接到熱源和冷源。紅外相機由計算機系統(tǒng)控制。每次啟動紅外相機時，它都會測量雙層結(jié)構(gòu)的溫度分布，并將溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C系統(tǒng)。該計算機系統(tǒng)由電源、微型計算機樹莓派、電機驅(qū)動器電源和電機驅(qū)動器組成。一個預(yù)訓(xùn)練的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)程序在樹莓派中啟動。輸入數(shù)據(jù)來自紅外相機測量的溫度數(shù)據(jù)。經(jīng)過程序處理后，計算系統(tǒng)提取雙層結(jié)構(gòu)周圍的溫度數(shù)據(jù)，提供給人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層。當(dāng)讀取輸入數(shù)據(jù)時，計算機系統(tǒng)中預(yù)訓(xùn)練的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)程序計算雙層結(jié)構(gòu)核心區(qū)域中PDMS的旋轉(zhuǎn)速度？刂菩D(zhuǎn)速度的信號通過電機驅(qū)動器傳輸?shù)讲竭M(jìn)電機。最后，PDMS在步進(jìn)電機的驅(qū)動下繞雙層結(jié)構(gòu)的中心旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而調(diào)節(jié)核心區(qū)域的有效熱導(dǎo)率。
圖4：活性熱超構(gòu)材料用于設(shè)計熱信號調(diào)制器。
如果將雙層結(jié)構(gòu)中心區(qū)域的溫度梯度視為編碼信息，那么將一系列雙層結(jié)構(gòu)沿某一方向緊密排列，就能夠捕獲溫度梯度信號在空間中的分布，并生成信號圖像。通過活性超構(gòu)材料，原本較小范圍內(nèi)的溫度梯度信號可以被放大至更大的震蕩范圍，實現(xiàn)信號的調(diào)幅效果。
此項工作報告了一種深度學(xué)習(xí)助力的自增強熱輸運的活性熱超構(gòu)材料，能夠感知環(huán)境溫度并自適應(yīng)調(diào)節(jié)材料有效熱導(dǎo)率。研究人員結(jié)合物理原理、深度學(xué)習(xí)算法與硬件設(shè)計了該活性超構(gòu)材料，并通過有限元模擬和實驗表征了材料性能。類比非線性光學(xué)，該活性超構(gòu)材料能夠使其有效熱導(dǎo)率對其外部溫度梯度做出響應(yīng)，為發(fā)展可配置的非線性熱材料奠定了基礎(chǔ)。相關(guān)成果以“Deep Learning-Assisted Active Metamaterials with Heat-Enhanced Thermal Transport”為題發(fā)表于《Advanced Materials》[Doi: 10.1002/adma.202305791]。此項工作復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系黃吉平教授與新加坡國立大學(xué)仇成偉教授為論文的共同通訊作者，復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系博士生金鵬為論文的第一作者。合作者還包括中國工程物理研究院研究生院須留鈞研究員，新加坡國立大學(xué)許國強博士以及李佳鑫博士。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202305791
