2018年8月杂志俱乐部:X-Mechanics - An Endless Frontier

x -力学——无尽的疆域

杨伟，王洪涛，李铁峰，瞿绍兴

浙江大学x力学研究中心，浙江杭州310027;

1介绍

与传统的观点相反，力学是一门相对成熟的学科，力学的两个特征使其外观和内在核心焕发了活力。第一个特征来自于机制的深层本质，它无休止地追求各种互动机制。第二个特点是机制的包容性和关联性。力学是连接科学与工程的桥梁，是连接基础与应用之间的桥梁。它是工程科学的基本工具[1]。本文试图以一种延伸或交叉的形式，向物理科学、生命科学甚至社会科学探索力学的新视野。我们把力学发展的这个新阶段称为x力学。“X”指的是“交叉”和/或“扩展”。不同“交叉”的内容将在连续的章节中列举:即交叉介质、交叉尺度和交叉合规。这些交叉研究将涉及x力学的内容、方法论、行为和功能。 Case examples will serve to illustrate that X-mechanics is an endless frontier.

广义软物质的跨介质力学

软物质可以看作是固体和流体的跨介质组合，或者是固体和流体相的复合物。我们称这种介质为广义软物质。所考虑的媒介可以扩展为直播媒介或社交媒介。广义软物质力学是x力学跨介质研究的内容。本文主要关注广义软物质的三个代表性案例:水凝胶、大脑和社交媒体。它们将作为实体媒体、生活媒体和社交媒体的案例。

水凝胶是1-3种固体/流体复合材料。水凝胶由亲水性聚合物网络和大量的水作为分散介质组成。韧性水凝胶的高韧性来源于耗散[4-6]。虽然填充水分子的含量可高达90%，但聚丙烯酰胺-海藻酸盐水凝胶可以实现高达9000Jm-2的非凡断裂能[5]。高断裂韧性的关键在于通过韧性网络传递的非局部能量耗散[5]。

脑是广义软物质的另一个有趣的例子。大脑可以看作是由泥状有机介质填充的水神经网络。脑灰、脑书写、神经元、记忆细胞和水是脑泥的主要填充成分。它们为神经网络的运行提供水、能量和数据存储。力学场和存储在大脑中的信息之间的相互作用带来了大脑功能的一个复杂方面。机械环境可能包括颅骨内的脑压力、神经引起的神经网络心理紧张、外部冲击引起的应力波传播、中风或脑血管出血。配备弥散张量分析(diffusion tensor analysis, DTA)的连接组可以获得大脑内神经连接的生动图像，为脑肿瘤切除手术提供方便。神经连接承担着知识创造和数据汇聚的重要作用。心理应激下突触形成和可塑性的动态为身心之间的密切互动提供了一个新的维度[20,21]。

广义软物质力学的最后一个例子是对社会安全的研究。对社会弹性问题的兴趣越来越大[22,23]。社会弹性是一个机制概念。该理论探讨了社会的动力、变形和适应。然而，它缺乏两个重要的要素来形成一个连续介质力学理论:(1)一个适当的空间，在这个空间上可以定义一个社会连续介质;(2)可以引入Griffith[24]意义上的断裂韧性的与长度相关的社会缺陷。社会空间(以社会地位、阶级和财富为维度)可以用来讨论社会弹性，而物理空间可以用来研究城市(或地区)的弹性。社会媒介可以用广义软物质的样本来描述。社交媒体的本构律被设想为充满粘性流体的社交网络的宏观平均，就像水凝胶一样。与钢化水凝胶的情况类似[4,5]，社会网络可以有两种特征，一种是代表意识形态驱动的政党的指导、组织和资源配置的强网络，另一种是弱互动的社区网络，如邻里社区、社会监督、社会交流网络和专业协会。 The filling fluid can be modeled by Maxwell fluid representing the cultural, financial and service interaction, and whose viscosity is governed by social chemistry. The segregation of the society may induce in-homogeneities or defects within the medium. The social medium should be amendable and restorable, by the damage control measures in the social networks, resource (such as aids) allocations, and new social policies. The capacities for plasticity and revitalization measure the resilience of the social medium, and depend largely on the leadership of the government and the incumbent party. The loadings on the social medium are composed of two parts: chronic stresses and acute shocks. The former is caused by the sustained imbalances such as disparity, competition, insufficient accommodation, and social injustice. The latter is encountered after nature disaster, famine, war, and infectious deceases; they may cause impacts and wave propagation to the society. Similar to the formulation of fracture mechanics, the issue of social safety or social resilience can be viewed as the initiation, the propagation, the energy dissipation, and the repair of social defects or gaps. The fracture of a society occurs when the driving force for fracture exceeds the social resilience to defects of critical scale. The social resilience depends predominately by the energy dissipation against social fracture. If the social network is weak and the social viscosity (governed by social chemistry) is low, a cleavage-like fracture occurs. Just like the breaking of a conventional hydrogel, a fracture process zone to release the fracture energy is absent. The society is “cold” and fragile, and the social resilience for this case is solely dictated by the defect size. If the social network is weak but the social viscosity is strong, one encounters ductile fracture, with a developed process zone with a high chemical potential, resembling the smash of a hydrogel with single-layered networks. The social resilience for this case relates to not only the defect size, but also the social chemistry. If both the social network and the social viscosity are strong, the social network would channel all the energy in the social medium toward the propagating crack tip, and achieve extraordinary high fracture toughness. The same mechanism is reported by the case of hydrogel with double-layered polymer networks [4, 5]. Furthermore, the rapid repair by the strong organization network would promote the healing of a society crack, so that it may never achieve the critical size for catastrophic failure. The same idea can be carried to the issue of resilient cities [25, 26].

3跨尺度-深度数据分析的机制

大多数力学分析都具有跨尺度性质，如图1a所示。深度学习的出现[27]为力学的跨尺度研究开辟了新的途径(图1b)。力学、物理、数学和信息技术的交叉学科研究可以为复杂的跨尺度问题带来新的认识。人们可以从三个方面来考察这一发展:理论、实验和计算。

图1(a)从电子分布到连续体的多晶聚集体的多尺度视图。(b)统一的数据驱动方法可以解决变形和断裂的跨尺度问题。插图是不同尺度的典型结构。

从理论的角度来看，跨尺度深度学习反映了不同物质聚集的层次遗产。两种方法并存:一种要求分析相关性，另一种要求数据相关性。在充分发展的湍流中，通过不同尺度的能量级联是流体力学公式的内在耦合。She和Leveque[28]证实了能量在不同尺度和不同频谱上的传递具有普遍的标度规律(以“K41”开头，表示能量功率斜率为-5/3)。通过湍流，能量可以从大尺度的漩涡传递到小尺度的漩涡，反之亦然。另一方面，固体力学的表述可以通过不同的物理尺度来处理，从量子力学、分子动力学、我是力学到连续介质力学的表述[29]。固体的不同配方可以通过跨尺度分析(如均质化、异质化、全局-局部方法和多物理场描述)或深度数据分析(如分层深度学习、神经网络和自适应学习)实现分层连接(图1b)。跨尺度相互作用已被许多公式处理。例如，连续介质场对量子物理的影响可以通过在薛定谔方程中加入应变势来体现[30]。电云对原子粒子的影响可以通过嵌入原子方法来解决[31]。 The interaction between continuum and particle formulations of solids can be addressed by Quasi-Continuum Method [32], and so on. Unlike the well-established scaling law for cross-scale interaction of fluids, the studies on the failure of solids lack the counterparts of energy cascade from different scales and different spectrums. In the traditional approach of fracture mechanics, the released global energy flows into local defects. The issue of interaction be-tween global energy and local energy has yet to be ad-dressed. The concepts of turbulence and vortices may be extended to the study on the hierarchical fragmentation of solids.

从实验的角度来看，跨尺度和多物理场实验是一项令人着迷的努力。大多数现有的测试都是以顺序方式进行的。当前的挑战应该是原位和体内的跨尺度实验观察。以固体变形和破坏的多尺度测量为例。测试应在同一地点和同一时刻进行，但输出的数据应与不同的物理实体或不同的分辨率相关。新的实验设施被设计成通过多光束线来观测同一个焦点[33]，或者通过匹配时间序列来同步。透射电子显微镜的最新发展为跨尺度实验力学提供了一个有价值的平台，将材料信息流从亚埃级连接到微米级。通过配置多个探测器，可以在二维投影空间中，一个原子一个原子地同时获得元素和结构信息(图2a)。当与原子种类信息叠加时，三维空间排列将提供对材料前所未有的理解(图2b)。应变张量可以直接从相对原子位置导出，精度为皮米。 Nano-mechanics equipment is developed at the Center for X-Mechanics of Zhejiang University that is capable of 4-axes manipulation of the testing samples within the vacuum chamber of HRTEM, as shown in Fig. 2c. Beside mechanical loadings, the facility allows electric loading and self-generate heating.

图2(a)最先进的像差校正透射电子显微镜同时捕捉二维空间中的原子排列和元素信息。(b)通过围绕倾斜轴旋转样品获得的一系列二维图像导致具有单个原子坐标的三维重建。(c)发明了一种专用的四自由度纳米机械臂来促进这一过程。

在计算力学领域，在有限的计算资源下，在不同的尺度上明智地采用可负担的方法。通过不同方法建模的域之间的平滑过渡需要对状态变量进行准确的解释，这是众所周知的艺术和苛刻的手工。然而，计算力学和人工智能的方法论共享相同的数据驱动原理和相同的分层和多层方法(图1b)。将视觉系统与生物模仿者进行比较是鼓舞人心的。跨尺度的物理世界可以通过视觉系统“准确”地反映在我们的脑海中。所有由光线携带的信息通过视网膜经由脑神经进入大脑。可见的物体在不同的层次上逐渐被抽象，信息传递到更深层的神经元细胞。然而，相应的反射可以有很多细节。最近的研究揭示了深层神经元网络的特征分离，类似于生物系统。这一观察结果可能建议采用统一的数据驱动的多尺度方法，如图1b所示。

交叉顺应-自适应机器人力学

刚性/柔性桥接标志着x力学的另一个维度。柔性电子学和自适应机器人技术是这一方向的两个实例。

图5发展的关键因素co3-robots共享相同的深度学习核心。

微小的硬硅片可以通过岛/桥式布局连接[40]。由于波浪线的弯曲阻力可以忽略不计，因此组合的贴片具有柔性。它们构成了柔性电子器件的核心结构[41]。这个想法是探索柔性显示器，柔性电机/泵和柔性医疗设备。对于健康监测，像纹身或具有传感和/或驱动能力的生物兼容磁带这样的超软设备可以附着在像婴儿皮肤或大脑/器官表面一样柔软的指定位置。柔性电子器件的进一步改进是大脑内的三维神经传感网络[42]，其特点是三维矩阵部署纳米点。每个点都能扩展成一个伞形网。

最先进的交叉顺应性研究可以通过自适应机器人来例证[43]。自适应机器人通常由一个坚硬的框架组成，由光滑的关节连接，并由弹性贻贝和坚韧的绳索包裹。在设计自适应机器人时，可以重新考虑“硬骨软索”的概念。根据少林寺武学至尊经典《易进西绥功》的哲学，提倡“硬贻贝，柔骨”的思想。这被认为是创造“超级战斗机”的一种方式。对于自适应机器人，人们可以探索新的力学准则，即降低骨骼刚度以更好地适应自然环境，使皮肤，贻贝和绳索变韧以获得更好的战斗力和防御装甲，并将机器人组装为最广泛的行动范围，最高的能源效率和最高的敏捷性。co3机器人的理想可以提出:协同自适应、协同感知和协同指挥。通过这种方式，机器人可以与人类共存，并在大多数非结构化和动态的环境中为人类工作。为了实现这一目标，灵巧的操作、敏捷的双足运动和机器感知被认为是机器人技术的必要条件和顶峰(图3)。记忆、学习和控制是co3机器人区别于机器-机器的基本要素。由于计算速度更快，成本更低，在强化学习的框架下，所有这些都收敛到一个单点(图3)，即卷积神经元网络。 In general, a policy or a q-value function can always be approximated to any accuracy, assuming that the deep neuron network structure can evolve dynamically and match the complexity of interactions between a co3-robot and the environment. It is worth mentioning that Bellman equation (named after Richard E. Bellman), a necessary condition for optimality, lays the foundation of reinforcement learning. It was first applied in the 1950s to engineering control theory. A recent demonstration is that AlphaGo defeats Ke Jie and AlphaGo Zero vanquishes its predecessors by employing reinforcement learning (better known as self-taught) [44, 45]. Deep mimic is another example showing the capability to train multiple characters (human, Atlas robot, bipedal dinosaur, dragon) in simulation to imitate a large variety of skills, including locomotion, acrobatics, and martial arts [46]. It is quite promising that convolutional neuron network may serve as the foundation for new generation of robots that serve the human, create hybrid intelligence, strengthen the capability of society, and submissive to the command of mankind.

5结束语

x力学是一种用力学原理和方法来解释我们的世界的新方法。它是无国界的，我们对其应用领域的看法不能受到限制。它是没有尽头的，人们无法预见它的地平线。它围绕着机制的核心，但也包含着不同的学科。自我感知、自我学习、自我动力、自我提升的x力学四大特性，滋养着它永葆青春。X-Mechanics一直在探索新的领域，不断寻找新的战利品，如机械化学、生物力学和信息动力学。x力学是建立在知识，技能和法律，从每次遇到其他学科，永远不会停止它的征服。X-Mechanics拥有强大而重要的机制核心，从不羞于它的工具箱和自尊。X-Mechanics着眼于全局，并对每个任务进行批判性分析，总是上升到更高的层次，并始终引导我们的注意力自上而下。有了这些积极的特征，随着基础研究在中国的蓬勃发展，力学有望复兴[50]。

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