在材料科學(xué)和應(yīng)用物理學(xué)領(lǐng)域，研究人員期望驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能類似于自然現(xiàn)象。作為一個(gè)經(jīng)典的例子，科學(xué)家提議對(duì)仿照墨魚偽裝的生物啟發(fā)性材料進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，盡管對(duì)這種高度集成的系統(tǒng)進(jìn)行工程設(shè)計(jì)可能會(huì)面臨挑戰(zhàn)，因?yàn)樯筛叱叽缃ㄖO(shè)計(jì)和與其制造過程相關(guān)的多功能材料的綜合復(fù)雜性。在有關(guān)科學(xué)進(jìn)步的最新報(bào)告中，Subramanian Sundaram及其美國(guó)和法國(guó)計(jì)算機(jī)科學(xué)，人工智能和電氣工程系的同事向工程師展示了有關(guān)多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化和多材料按需滴印(3-D)打印的完整協(xié)議復(fù)雜的執(zhí)行器。

致動(dòng)器包含與響應(yīng)于磁場(chǎng)的磁性納米顆粒/聚合物復(fù)合材料偶聯(lián)的軟性和剛性聚合物。拓?fù)鋬?yōu)化器可以為各個(gè)體素分配材料，以增強(qiáng)高分辨率的物理外觀。當(dāng)他們將拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)策略與多材料制造過程統(tǒng)一起來時(shí)，Sundaram等人?？梢栽O(shè)計(jì)復(fù)雜的執(zhí)行器，作為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和目標(biāo)驅(qū)動(dòng)制造的有希望的途徑。

現(xiàn)代機(jī)器人需要執(zhí)行器，這些執(zhí)行器必須在一個(gè)封裝內(nèi)將多種功能集成在一起，以優(yōu)化高度，功率效率，拓?fù)洌叽绾推渌阅苤笜?biāo)。這個(gè)想法奠定了提倡將傳感，驅(qū)動(dòng)和計(jì)算與機(jī)器人材料緊密集成的研究建議的基礎(chǔ)。研究人員仍在爭(zhēng)論機(jī)器人是將是具有大腦的身體還是具有大腦的身體，因此仍然有待確定材料和機(jī)器之間的區(qū)別。使用機(jī)器人材料的新范例要求將機(jī)器人零件設(shè)計(jì)為具有多種功能，并針對(duì)天然生物針對(duì)多種目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。

材質(zhì)庫(kù)。(A)使用分光光度計(jì)測(cè)得的厚度變化的薄膜通過MPC的透射率是波長(zhǎng)的函數(shù)。(B)通過透明硬質(zhì)材料的透射率，顯示為多種膜厚度的波長(zhǎng)的函數(shù)。(C)在室溫下測(cè)得的MPC的磁化強(qiáng)度與施加的磁場(chǎng)的關(guān)系。磁性納米粒子約占MPC總重量的12%。ELA，MPC和剛性聚合物(RIG)的典型機(jī)械應(yīng)力-應(yīng)變曲線分別在(D)至(F)中顯示。聚合物在線性應(yīng)變下的彈性模量，分別取三個(gè)樣品的平均值，即ELA(528 kPa)，MPC(507 MPa)和RIG(1290 MPa)差異很大。(G)示意圖顯示了基于基本鉸鏈的設(shè)計(jì)，面板長(zhǎng)度為lp，厚度為tp。在這個(gè)設(shè)計(jì)中 面板被分成RIG和MPC的兩個(gè)相等部分。面板通過長(zhǎng)度為lh，寬度為wh和厚度為th的ELA扭轉(zhuǎn)鉸鏈連接到兩側(cè)的剛性邊界上。在施加磁場(chǎng)時(shí)，面板的磁性部分會(huì)產(chǎn)生扭矩。在手動(dòng)設(shè)計(jì)的樣本中將其用作基本塊。(H)2×2面板陣列的圖像，每個(gè)面板都有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸。圖像的深褐色區(qū)域顯示MPC材料，而半透明部分顯示剛性材料。彈性扭轉(zhuǎn)鉸鏈在外觀上幾乎與剛性聚合物相同。在施加磁場(chǎng)時(shí)，每個(gè)面板都具有兩軸角度旋轉(zhuǎn)的獨(dú)特組合。平坦的印刷樣品的頂視圖顯示在左側(cè)。(照片提供：麻省理工學(xué)院的SS和DSK。)

復(fù)制受生物啟發(fā)的多功能系統(tǒng)所面臨的挑戰(zhàn)仍然在于致動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在墨魚致動(dòng)系統(tǒng)的經(jīng)典示例中，同時(shí)控制物理偏斜和高分辨率外觀會(huì)導(dǎo)致有效的生物偽裝。由于創(chuàng)建高維設(shè)計(jì)空間以及用新材料和自由形式的幾何結(jié)構(gòu)制造這些設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，在實(shí)驗(yàn)室中復(fù)制這種無縫集成的驅(qū)動(dòng)非常麻煩。

在當(dāng)前的致動(dòng)系統(tǒng)示例中，材料科學(xué)家開發(fā)了具有數(shù)百萬(wàn)個(gè)相同致動(dòng)器的數(shù)字微鏡設(shè)備和具有微機(jī)電系統(tǒng)懸臂的“千足蟲”高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)。針對(duì)功耗，低占地面積和過程可靠性進(jìn)行優(yōu)化的這些致動(dòng)系統(tǒng)非常耗時(shí)，而不均勻的致動(dòng)器陣列則在實(shí)驗(yàn)室中帶來了額外的復(fù)雜性。作為一種有前途的選擇，拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)可以在給定的設(shè)計(jì)空間中自動(dòng)優(yōu)化材料布局。