学术进展 | 我院李遗祥副教授发表合作文章Nat. Commun.：光编程机械计算方案

机械计算作为颇具潜力的非电子计算范式，能在极端环境下稳定运行，可在高温、辐射、腐蚀等极端条件下稳定运行，在特殊应用场景中具备潜在的重要价值。但长期以来，该领域发展受限于两大难题：一是计算架构难以规模化拓展，多停留在单器件或少量器件的概念演示阶段；二是难以依托环境刺激完成特定情境信息处理，实际应用路径尚未明晰。研发可通过外部刺激编程、能根据环境变化自主执行任务的新型机械计算系统，成为领域内亟待解决的关键问题。为此，新葡萄88805官网副教授李遗祥与南京大学类脑智能科技研究中心团队提出并实现基于聚苯胺复合薄膜的光编程机械计算新方法，通过设计光控类继电器核心单元、构建可扩展的光控机械计算架构，实现环境自适应图像纹理伪装功能，为机械计算技术的规模化拓展与实际场景中的应用提供了潜在的解决方案。相关研究成果以“Light-Programmable Mechanical Computing via Polyaniline Composite Film”为题，在线发表于国际学术期刊Nature Communications《自然 - 通讯》。

01. 核心功能载体：设计多功能聚苯胺复合薄膜

团队以材料结构设计为突破点，实现薄膜的核心功能，源于独特的“光 - 热 - 机械”层级耦合效应（图1a）：光照下，薄膜中的聚苯胺（PANi）组分通过光热效应将光能转化为热能，触发PANi- PNIPAm（聚苯胺-聚（N-异丙基丙烯酰胺））层收缩与PDMS层膨胀，两种材料的形变协同作用，使薄膜向光源方向发生可控弯曲（图1b）。这种动态形变会直接调控薄膜导电路径的物理连接状态，本质上实现了以光信号替代传统电信号，精准控制通路通断与信号流向，从而实现信息计算功能（图1c）。

图1.用于实现光编程机械计算的聚苯胺复合薄膜结构示意图。

02．基础计算单元：研发高性能光控机械计算器件

基于两款PCF薄膜，团队成功构建出两种光控机械继电器，作为系统的基础计算单元。利用 PCF I 型薄膜打造的单刀单掷继电器（SPST），如同光控二进制开关，通过光照的开与关，精准控制单一导电通路的连通与断开，实现基础光控开关功能（图2a-c）；基于PCF II 型薄膜的单刀双掷继电器（SPDT）功能更进阶，可将输入信号动态路由至两个备选输出通道之一，完成信号传输方向的光编程选择（图2d-f）。系列测试验证了器件的优异性能：SPST 器件经过600余次连续驱动-复位循环，开关性能无明显疲劳衰减，机械耐久性突出；器件光致形变可通过环境湿度实现完全可逆复位，在不同湿度下均保持稳定恢复特性，具有稳定的环境适应能力。

图2.继电器的开关性能。

03．系统计算架构：搭建可扩展光编程机械计算体系

在此基础上，团队通过互联基础光控继电器搭建起可编程计算架构，利用光照强度动态重构导电网络，实现继电器集群对信息传输路径开关状态与路由选择的协同控制，并成功验证了该架构的计算可扩展性。研究人员集成SPST和SPDT，实现了AND、OR、XOR等基本逻辑门（图3），又通过级联这些逻辑门，构建出1位及2位全加器等复杂组合逻辑电路。实验结果显示，所有电路功能均与理论预期高度吻合，充分证明该光编程机械计算架构在复杂逻辑运算方面的准确性、稳定性与可扩展性。

图3. 可扩展的逻辑计算。

团队进一步挖掘了该计算架构的实际环境应用潜力。受章鱼等头足类动物皮肤自适应伪装特性的启发，团队依托光编程机械计算核心单元，研发出一套环境交互式自适应伪装系统，并成功完成智能伪装功能的完整演示（图4）。本工作验证了柔性复合材料在集成感知、驱动与计算一体化方面的应用潜力，为未来研发能在复杂、非结构化真实环境中自主运行、自适应交互的下一代智能系统探索了潜在的技术途径。

图4. 自适应纹理伪装系统。

南京大学类脑智能科技研究中心博士后晏秀男、新葡萄88805官网副教授李遗祥、南京大学类脑智能科技研究中心博士生赵懿晨为该工作的共同第一作者，南京大学类脑智能科技研究中心缪峰教授、梁世军教授和南京理工大学潘晨副教授为该工作的共同通讯作者。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-70425-z

李遗祥副教授简介：

李遗祥，新葡萄88805官网副教授，博士生导师，博士后合作导师。主要从事类脑智能器件与集成应用研究，在电子信息材料与器件、高性能传感与计算器件、类脑计算器件及其信息处理系统、柔性感算一体集成及其电子皮肤应用等方面深入展开了多项研究工作。迄今已在高水平SCI期刊发表论文20余篇，其中以第一作者或通讯作者（含共一或共通）身份在Nature Electronics（2篇）、Nature Communications(2篇)等国际顶级期刊发表论文10余篇；撰写有Wiley出版的英文专著的2个重要章节。受邀担任Nature Electronics、Nature Communications、IEEE Transactions on Communications、ACS Sensors等期刊的审稿人。

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