科技日報記者 張夢然
想象一下一輛小型自動駕駛汽車正在陸地上行駛，卻突然將自己壓扁，變成四軸飛行器飛走。據(jù)發(fā)表在最新一期《科學(xué)·機(jī)器人》雜志上的研究，美國團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種在材料層面改變形狀的新方法，使用橡膠、金屬和溫度對材料進(jìn)行變形并將它們固定在沒有電機(jī)或滑輪的位置。
無人車能夠使用液態(tài)金屬變形和彎曲。
圖片來源：弗吉尼亞理工大學(xué)
“當(dāng)開始這個項(xiàng)目時，我們想要一種可做3件事的材料：改變形狀、保持形狀，然后恢復(fù)到原始配置，并在多個周期內(nèi)完成。”弗吉尼亞理工大學(xué)機(jī)械工程系助理教授邁克爾·巴特利特說，“其中一個挑戰(zhàn)是創(chuàng)造一種足夠柔軟的材料，可顯著改變形狀，但又足夠堅(jiān)硬，可制造出能執(zhí)行不同功能的適應(yīng)性機(jī)器。”
為了創(chuàng)造一個可變形結(jié)構(gòu)，該團(tuán)隊(duì)借鑒了剪紙藝術(shù)。通過觀察橡膠和復(fù)合材料中這些剪紙圖案的強(qiáng)度，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建出了具有重復(fù)幾何圖案的材料結(jié)構(gòu)。
接下來，研究人員開發(fā)出一種能夠保持形狀但允許按需消除該形狀的材料。他們引入了一種由嵌入橡膠皮內(nèi)的低熔點(diǎn)合金（LMPA）制成的內(nèi)骨架。通常，當(dāng)金屬被拉伸得太遠(yuǎn)時，金屬會永久彎曲、斷裂或拉伸成固定的、無法再用的形狀。而將特殊合金嵌入橡膠后，當(dāng)拉伸時，這種復(fù)合材料可迅速保持所需的形狀，非常適合可立即承重的柔性變形材料。
最后，材料必須使結(jié)構(gòu)恢復(fù)到原來的形狀。研究團(tuán)隊(duì)在LMPA網(wǎng)格旁加入柔軟的卷須狀加熱器。加熱器使金屬在60℃或鋁熔化溫度的10%時轉(zhuǎn)化為液體。彈性體表皮將熔化的金屬保持在原位，然后將材料拉回原來的形狀，扭轉(zhuǎn)拉伸，使復(fù)合材料具有“可逆塑性”。金屬冷卻后，它再次有助于保持結(jié)構(gòu)的形狀。
研究人員稱，這些復(fù)合材料的金屬內(nèi)骨架嵌入橡膠中，帶有軟加熱器，剪紙風(fēng)格的切口定義了一系列金屬梁。這些切割與材料的獨(dú)特特性相結(jié)合對于變形、快速固定形狀、然后恢復(fù)到原始形狀非常重要。
研究人員發(fā)現(xiàn)，這種受剪紙啟發(fā)的復(fù)合設(shè)計(jì)可創(chuàng)造出復(fù)雜的形狀，從圓柱體到球狀再到凹凸形狀。形狀改變也可快速實(shí)現(xiàn)：用球撞擊后，形狀改變并在不到1/10秒內(nèi)固定到位。此外，如果材料破裂，可通過熔化和重整金屬內(nèi)骨架來多次修復(fù)。
通過將這種材料與機(jī)載電源、控制和電機(jī)相結(jié)合，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了一種功能性無人機(jī)，可以自動從地面車變形為飛行器。該團(tuán)隊(duì)還創(chuàng)造了一艘小型、可展開的潛艇，能利用材料的變形從水族館中取回物體。
總編輯圈點(diǎn)：
大自然中很多有機(jī)體都可改變形狀以執(zhí)行不同的功能。譬如章魚能大幅改變形狀來移動、進(jìn)食或者與環(huán)境互動；人類也能彎曲肌肉進(jìn)行支撐并保持；植物則可全天候移動以捕捉陽光。但在工程學(xué)中能否實(shí)現(xiàn)仍然未知。現(xiàn)在，一種變形復(fù)合材料不但強(qiáng)度足夠，還很容易變形，使得機(jī)器人能最大化適應(yīng)環(huán)境。未來這一材料帶給我們的，不僅是執(zhí)行多種功能任務(wù)的新一代機(jī)器人，還將有受損后自我修復(fù)的彈性設(shè)備，能在人機(jī)界面和可穿戴方面激發(fā)豐富的應(yīng)用。
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