面向计算应用的微扰型超材料非线性设计方法

《Nature Communications》：Designing nonlinear perturbative metamaterials that compute

　　

摘要

设计具有计算能力的超材料极具挑战性；可能几何形状的空间非常庞大，且结构与功能之间的关系十分复杂。由弱相互作用单元构成的微扰型超材料可以通过组合简单的几何构建模块进行高效设计。然而，微扰型超材料通常基于线性波物理来定义，这限制了它们在需要非线性特性的信息处理应用中的使用。在此，我们提出了一种用于微扰型超材料的非线性描述方法，该方法使我们能够识别执行目标计算的材料几何形状。这种设计依赖于一种非线性局域映射，该映射将超材料的变形连接到一个编码计算的离散紧束缚模型。我们通过基于三种不同计算范式设计三种信息处理超材料来验证该方法的普适性：一种通过能量最小化求解组合优化问题的伊辛机、一种用于存内计算的机械赛道装置，以及一种基于模拟神经形态计算的语音分类超材料。