赋予柔性材料智慧：可编辑的软处理器

创新点：本研究设计了一种可编辑、可打印、可回收的柔性超材料，该材料由相互连接和周期性排列的逻辑单元构成。单个逻辑单元可以执行乘法-取反复合运算，且能实现可扩展的计算能力。通过建立物理化布尔运算法则和制定通用的设计流程，可以轻松搭建不同运算功能的超材料。以此作为软体机器人的处理器，能实现自主振荡、通用和可定制的变形编程，且支持在线编辑物理智能。

关键词：处理器，超材料，软体机器人，可编程

分类：工程；机器人

图1 逻辑单元的设计和原理

图2 逻辑单元的等效流体电路

物理化布尔运算法则

在数学领域，布尔代数运算法则已经发展得相当完善，任何逻辑运算都可以根据这些法则进行转换和计算。然而，对于物理逻辑运算，尤其是在进行加法运算时，这套数学法则不完全适用，流体的双向流动会导致输出端口对输入端口产生影响。因此，本研究建立了一套物理化的布尔运算法则，制定了取反、乘法、加法三种最基本的运算定律。

图3 物理化布尔运算法则

基本逻辑门

利用本研究的物理化布尔运算法则可以搭建所有的基本逻辑门：非门、缓冲门、或门、与门、或非门、与非门、异或门、同或门。

图4 八种基本逻辑门

通用设计流程

对于复杂的逻辑电路，将其转化为柔性超材料容易出错且耗时，而且复杂逻辑电路可以用多种流体网络进行表示，而我们希望用最少数量的逻辑单元来表示所需电路。因此，本研究提出了一套通用的设计流程来获取最简流体网络，并用全加器和全减器作为案例进行验证。

图5 通用设计流程

超材料化处理器

柔性流体译码器

为了验证超材料化处理器控制软体机器人的能力，本研究先搭建了一个柔性流体译码器，用n路电磁阀控制2ⁿ个柔性执行器，但是这种方式产生的输出信号是互斥的，无法同时控制多个执行器。结合SR锁存器的“存储”功能，又搭建了一个锁存译码器，这样就可以用n路电磁阀独立控制2^n-1个柔性执行器。

图6 柔性流体译码器

通用的自主控制器

将5个逻辑单元相互连接形成一个柔性环形振荡器，可以将恒定负压转化为5路振荡负压，从而使手指依次弯曲。此外，通过结合逻辑单元的可扩展计算能力，正压驱动的手指也可以用该处理器的输出信号进行驱动。

图7  通用的自主控制器

可定制的变形编程

环形振荡器只能产生依次振荡的波形，相邻的逻辑单元会同时发生变形，无法独立控制单个执行器，限制了处理器的信号处理能力。通过在相邻逻辑单元间增加额外的逻辑单元，就可以将它们的输出信号解耦，使其能单独产生负压。这一改进使环形振荡器可以控制柔性抓手呈现多种手势动作，比如：竖大拇指、OK手势、胜利手势、数字4等，提升了软处理器的可控性。

图8 可定制的变形编程

在线编辑物理智能

本研究设计的超材料化处理器还能在不改变逻辑单元间连接方式的情况下，在线编辑其内部的逻辑关系，这一功能是通过结合SR锁存器的存储能力、2-4译码器的选择输出、环形振荡器的信号处理来实现的。按压SR锁存器的逻辑单元后，当前的按压状态被存储下来，2-4译码器使处理器可以用2个SR锁存器控制4个环形振荡器，振荡器的输出信号分别控制四根手指的周期性弯曲。这种连接方式使一个软处理器可以存储4套执行程序，并能控制程序的独立运行。

图9 在线编辑物理智能

总结

本研究提出的物理化布尔运算法则和通用的设计流程，使功能单一的柔性逻辑单元能快速重构为具备复杂计算能力的柔性超材料，从而简化了超材料的设计和制造过程。柔性逻辑单元的复合运算和可扩展计算能力，使超材料化处理器可以实现自主振荡、通用和可定制的变形编程、在线编辑物理智能等功能。未来随着逻辑单元的微型化，这些软处理器能够直接集成到软体机器人本体中，有力推动可编程全柔性机器人的发展。