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導讀

7月2日，上海交通大學材料科學與工程學院、金屬基復合材料全國重點實驗室張荻院士團隊、材料科學與工程學院/金屬基復合材料全國重點實驗室/張江高等研究院周涵教授課題組，與新加坡國立大學仇成偉院士團隊、美國德克薩斯大學奧斯汀分校鄭躍兵教授團隊合作，在人工智能（AI）驅動的超寬波段及波段選擇性熱輻射超材料設計領域取得重要突破。研究成果以 “Ultrabroadband and band-selective thermal meta-emitters by machine learning” 為題發(fā)表在 《Nature》 上。

7月4日，西安交通大學電信學部電子學院、國家醫(yī)學攻關產教融合創(chuàng)新平臺李飛教授團隊受邀撰寫的綜述論文《面向下一代電機耦合技術的鐵電材料》（Ferroelectric Materials toward Next-Generation Electromechanical Technologies）在《科學》（Science）期刊發(fā)表，這是該期刊發(fā)表的首篇關于壓電材料與器件的綜述論文。

1、上海交通大學Nature

7月2日，上海交通大學材料科學與工程學院、金屬基復合材料全國重點實驗室張荻院士團隊、材料科學與工程學院/金屬基復合材料全國重點實驗室/張江高等研究院周涵教授課題組，與新加坡國立大學仇成偉院士團隊、美國德克薩斯大學奧斯汀分校鄭躍兵教授團隊合作，在人工智能（AI）驅動的超寬波段及波段選擇性熱輻射超材料設計領域取得重要突破。研究成果以“Ultrabroadband and band-selective thermal meta-emitters by machine learning”為題發(fā)表在《Nature》上。

該研究啟迪于自然，基于生物拓撲構型提煉出多種三維結構基元和空間序構組合，構建了機器學習驅動的逆向生成優(yōu)化設計框架，攻克了傳統(tǒng)試錯法在光譜設計中面臨的全局優(yōu)化難題，提出了可精準描述三維復雜構型的“三平面建模法”，實現了超寬帶與多波段選擇性熱輻射超材料的自動化逆向設計。通過機器學習訓練的人工智能模型，可根據光譜性能按需設計超材料，進而帶來了設計維度、速度和性能全方位的提升。所創(chuàng)制的熱輻射超材料可廣泛應用于地面輻射冷卻、建筑節(jié)能降溫、航天熱控等諸多重要領域，推進相關領域的發(fā)展及產業(yè)化應用。

圖1. Nature論文首頁截圖

AI驅動超材料“逆向設計”， 實現熱輻射超材料批量按需設計

熱輻射是自然界能量傳遞的基本形式，它就像一名不知疲倦的“熱量快遞員”，所有物體時刻都在通過熱輻射傳遞熱量——比如曬太陽會感覺到暖和，其實是皮膚在接收太陽的熱輻射。超材料指的是一類具有特殊性質的人造材料，其中具有熱輻射性能的超材料可以把多余的熱量“打包”傳遞到外界，穿上這種材料制作的“外衣”就像穿了一件降溫神器，能夠幫助物體自動降溫，在零能耗輻射冷卻、電子器件熱調控、人體熱管理等領域具有重大應用價值。微結構是超材料突破自然材料限制、具備特殊功能的核心，然而，超材料的微結構設計及材料組分設計組合起來有上百萬種可能性，傳統(tǒng)的設計方法費時又費力，就像在迷宮里摸黑找路，往往依賴于長期經驗和反復試錯。

經過億萬年物競天擇，大自然中的生物進化出了許多具有超常光學和熱學特性的三維拓撲構型，可以通過熱輻射的方式進行自身體溫調控。研究團隊從生物體三維拓撲構型中獲取靈感，提煉出了多種三維結構單元和空間排列方式，并通過首創(chuàng)的“三平面建模法”巧妙實現了對三維結構單元的精準描述，建立了龐大的三維復雜結構數據集。結合多種材料體系，團隊訓練得到了一個熱輻射超材料逆向設計AI模型，能夠根據所需光譜特性快速、精準地生成相應超材料的多種設計方案，帶來了設計維度、速度和性能全方位的提升。AI的引入讓熱輻射超材料的設計不再是局限于已知“菜譜”上小修小補，突破了現有“菜式”的“上限”。所創(chuàng)制的熱輻射超材料可廣泛應用于零能耗輻射冷卻、建筑節(jié)能降溫、航天熱控等諸多重要領域，推進相關領域的發(fā)展及產業(yè)化應用。

圖2. 參數化描述方法及逆向設計流程

多類型材料實測驗證，滿足不同應用場景需求

為驗證AI模型的實際效能，團隊用AI模型設計并通過實驗驗證了七種針對特定應用的熱輻射超材料，包括寬帶熱輻射超材料、單波段選擇性及雙波段選擇性熱輻射超材料等。實際應用形式涵蓋包括柔性薄膜、涂料、貼片等多種形式。

在多種戶外場景實測中，所有熱輻射超材料均展現出優(yōu)異的自降溫效果，并且不同類型的材料可適用于不同的應用環(huán)境，就像給物體根據應用環(huán)境不同披上了不同的“自動降溫外套”。如，在晴朗的正午時分，寬波段超材料下表面溫度相比環(huán)境溫度降低了5.9℃；在多云條件下，單波段選擇性超材料降溫性能更顯著，下表面溫度相比環(huán)境溫度降低了4.6℃；在城市建筑群模擬環(huán)境中，單波段選擇性超材料下表面溫度分別比寬帶超材料和商用白漆涂覆表面低2.5℃和5.3℃。披上這層“自動降溫外套”，表面溫度明顯下降，就像開啟了天然制冷模式。

將雙波段選擇性超材料涂覆在模型屋頂，其表面溫度比商用白漆涂覆表面低5.6°C，比灰色涂料涂覆表面低21°C，炙熱的屋頂瞬間涼爽了下來。這些結果充分展示了AI模型“許愿式”設計材料在建筑節(jié)能、城市熱島效應緩解等領域的應用潛力，為未來打造“零能耗降溫”城市提供了創(chuàng)新解決方案。

圖3. 典型熱輻射需求的實驗驗證及戶外熱測試結果

便于規(guī)模制備，助力應用落地

這一AI模型不僅能“發(fā)明”新材料，還能從中挑選出那些更適合大規(guī)模使用、成本更低的超材料。如，典型的雙波段選擇性超材料僅需簡單的溶液法就能在室溫下制備，并以涂料的形式應用于磚墻、金屬、塑料和玻璃等多種常見物體的表面，就像給物體用上了防曬降溫霜。能耗模擬顯示，在中低緯度地區(qū)，將該材料應用于建筑屋頂可實現75 MJ/m2的理論節(jié)能效果，相當于節(jié)省20度電。此外，這種材料成本低、應用形式靈活，從建筑外墻到隨身衣物，從戶外設施到電子產品，這種物美價廉的“降溫能手”將在各個領域大顯身手，讓高科技降溫真正走進千家萬戶。

Nature審稿人對該項研究給予了高度評價：“研究展示了關于利用機器學習設計與驗證寬帶超材料的杰出研究。作者將先進機器學習技術應用于熱輻射超材料設計，并通過實驗驗證展現出卓越性能，這一創(chuàng)新成果令人高度贊賞”。“這項研究標志著機器學習驅動的超材料設計領域取得了重大進展。該研究扎實而全面的實驗結果令人信服且具有重要影響。”

上海交通大學周涵教授、張荻院士、新加坡國立大學仇成偉院士、美國德克薩斯大學奧斯汀分校鄭躍兵教授為論文共同通訊作者，上海交通大學材料學院/張江高等研究院博士生肖誠禹為論文第一作者，上海交通大學為論文第一完成單位。論文重要作者上海交通大學范同祥教授、趙長穎教授、新加坡國立大學/上海交通大學機械學院劉夢琦博士、美國德克薩斯大學奧斯汀分校姚侃博士、瑞典于默奧大學Max Yan教授等，均給與了重要支持。

這項工作得到了國家自然科學基金委、上海市科學技術發(fā)展資金、上海交通大學2030計劃的資助。該工作已獲得軟件著作權并已申請相關發(fā)明專利。

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09102-y

2、西安交大，《科學》（Science）發(fā)文

7月4日

西安交通大學

電信學部電子學院 國家醫(yī)學攻關產教融合創(chuàng)新平臺

李飛教授團隊

受邀撰寫的綜述論文

《面向下一代電機耦合技術的鐵電材料》（Ferroelectric Materials toward Next-Generation Electromechanical Technologies）

在《科學》（Science）期刊發(fā)表

這是該期刊發(fā)表的

首篇關于壓電材料與器件的綜述論文

研究內容

文章系統(tǒng)闡述近年來，國內外相關研究機構在高性能壓電材料與器件領域的研究進展，重點討論了當前醫(yī)療超聲、消費電子等產業(yè)對高性能壓電材料的迫切需求，并嘗試提出突破當前壓電材料性能瓶頸的可行方案，為壓電材料與器件的未來發(fā)展提供新思路。

作者信息

李飛教授為論文第一作者和通訊作者，合作者包括電信學部電子學院、國家醫(yī)學攻關產教融合創(chuàng)新平臺高翔宇副教授、美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室王博研究員，IEEE Fellow、瑞士洛桑聯邦理工學院Dragan Damjanovic教授，美國工程院院士、美國賓夕法尼亞州立大學陳龍慶教授以及IEEE Fellow、澳大利亞伍倫貢大學張樹君教授。

論文得到國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃等科研項目的支持。

圖. 基于鐵電材料的壓電器件及其所面臨的挑戰(zhàn)：(A) 多層壓電驅動器工作原理，(B) 雙晶片、柔性鉸鏈與鈸形結構的壓電驅動器，(C) 微型壓電馬達與壓電機械手臂示意圖；(D) 醫(yī)用超聲成像原理，(E) 弛豫鐵電單晶換能器相較于陶瓷換能器在成像上的高分辨率與寬帶寬優(yōu)勢，(F) 可穿戴、透明及線性陣列超聲換能器；(G) 醫(yī)療超聲領域提升換能器成像深度與分辨率的技術難題；(H) 消費電子中壓電風扇和壓電馬達實現低電壓驅動的瓶頸（來源：原文圖1）

李飛、徐卓教授團隊近年來研究成果

近年來，李飛、徐卓教授團隊研制出了多種新型高性能壓電陶瓷與單晶材料，推動了醫(yī)療超聲、消費電子等領域中壓電器件的技術革新，研究成果得到國際同行和產業(yè)界的廣泛關注和認可。例如：

■ 與中國科學院深圳先進技術研究院合作研制的透明壓電單晶已被用于新型光聲成像探頭，使得探頭光聲信號靈敏度提高4倍，成像信噪比提升10分貝，顯著提升成像質量，為基于透明換能器的光聲成像、聲光多模態(tài)成像的生物醫(yī)學應用鋪平了道路；

■ 研制的稀土摻雜壓電單晶與陶瓷已用于醫(yī)療超聲成像和治療換能器，相較傳統(tǒng)壓電陶瓷換能器，其工作帶寬與輸出聲壓提升1倍，同時插入損耗顯著降低，提升了超聲成像質量與治療效果；

■ 關于晶粒人工取向壓電陶瓷的研究成果有望提升集成電路散熱用壓電微泵性能，榮獲華為公司“火花獎”；

■ 與消費電子領域行業(yè)龍頭企業(yè)合作研制出兼具3納米分辨率與高運動速度（32 毫米/秒）的微型壓電馬達（體積小于7立方毫米，約為一顆米粒體積的1/3）以及支持六自由度運動控制的對焦防抖一體化壓電驅動器，為微型智能光學系統(tǒng)提供視場精密調控方案，推動壓電技術在消費電子領域的集成應用。

論文鏈接

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn4926

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來源：上海交通大學、西安交通大學