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      利用液態金屬制作柔性骨架 在人機界面和可穿戴方面激發豐富應用

      科技日報 | 2022-02-11 10:18:43

      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。據發表在最新一期《科學·機器人》雜志上的研究,美國團隊設計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行變形并將它們固定在沒有電機或滑輪的位置。

      “當開始這個項目時,我們想要一種可做3件事的材料:改變形狀、保持形狀,然后恢復到原始配置,并在多個周期內完成。”弗吉尼亞理工大學機械工程系助理教授邁克爾·巴特利特說。

      為了創造一個可變形結構,該團隊借鑒了剪紙藝術。通過觀察橡膠和復合材料中這些剪紙圖案的強度,該團隊創建出了具有重復幾何圖案的材料結構。

      接下來,研究人員開發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的低熔點合金(LMPA)制成的內骨架。通常,當金屬被拉伸得太遠時,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,當拉伸時,這種復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,材料必須使結構恢復到原來的形狀。研究團隊在LMPA網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,扭轉拉伸,使復合材料具有“可逆塑性”。金屬冷卻后,它再次有助于保持結構的形狀。

      研究人員發現,這種受剪紙啟發的復合設計可創造出復雜的形狀,從圓柱體到球狀再到凹凸形狀。形狀改變也可快速實現:用球撞擊后,形狀改變并在不到1/10秒內固定到位。此外,如果材料破裂,可通過熔化和重整金屬內骨架來多次修復。

      總編輯圈點

      大自然中很多有機體都可改變形狀以執行不同的功能。譬如章魚能大幅改變形狀來移動、進食或者與環境互動;人類也能彎曲肌肉進行支撐并保持;植物則可全天候移動以捕捉陽光。但在工程學中能否實現仍然未知?,F在,一種變形復合材料不但強度足夠,還很容易變形,使得機器人能最大化適應環境。未來這一材料帶給我們的,不僅是執行多種功能任務的新一代機器人,還將有受損后自我修復的彈性設備,能在人機界面和可穿戴方面激發豐富的應用。

      標簽: 自動駕駛 駕駛汽車 材料層面 材料結構

      • 標簽:自動駕駛,駕駛汽車,材料層面,材料結構

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