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皓天鑫
想象一下一種小型的自主車輛可以在陸地上行駛，停下來(lái)，卻突然壓扁變成一架四旋翼無(wú)人機(jī)的場(chǎng)景。旋翼開(kāi)始旋轉(zhuǎn)后，無(wú)人機(jī)就飛走了。更仔細(xì)地觀察它，你認(rèn)為你會(huì)看到什么？是什么機(jī)制使它從一個(gè)陸地交通工具變成了一個(gè)飛行的四旋翼無(wú)人機(jī)？你可能會(huì)想象到齒輪等部件，也許是一系列微小的伺服電機(jī)，將它的所有部件拉到合適的位置。這種機(jī)制是由機(jī)械工程系副教授 Michael Bartlet領(lǐng)導(dǎo)的弗吉尼亞理工大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的，他們提出了一種在材料層面改變形狀的新方法。
這些研究人員利用橡膠、金屬和溫度對(duì)材料進(jìn)行變形，并在沒(méi)有電機(jī)或滑輪的情況下將它們固定到位。該團(tuán)隊(duì)的工作已經(jīng)發(fā)表在《科學(xué)機(jī)器人》上。該論文的共同作者包括研究生Dohgyu Hwang和Edward J. Barron III以及博士后研究員A.B. M. Tahidul Haque。
自然界有很多改變形狀以執(zhí)行不同功能的生物。章魚戲劇性地改變形狀以移動(dòng)、進(jìn)食和與環(huán)境互動(dòng)；人類彎曲肌肉以支持負(fù)荷和保持形狀；植物移動(dòng)以捕獲全天的陽(yáng)光。但如何創(chuàng)造一種能夠?qū)崿F(xiàn)這些功能的材料，以實(shí)現(xiàn)新型的多功能、變形機(jī)器人？
Bartlet說(shuō)：“當(dāng)我們開(kāi)始這個(gè)項(xiàng)目時(shí)，我們希望有一種材料能做三件事：改變形狀，保持這種形狀，然后返回到原來(lái)的配置，并在許多周期內(nèi)做到這一點(diǎn)。其中一個(gè)挑戰(zhàn)是創(chuàng)造一種材料，它足夠柔軟，可以極大地改變形狀，但又足夠堅(jiān)硬，以創(chuàng)造出可以執(zhí)行不同功能的適應(yīng)性機(jī)器。”
為了創(chuàng)造一個(gè)可以變形的結(jié)構(gòu)，該團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)向了kirigami，這是一種通過(guò)切割用紙制作形狀的日本藝術(shù)。(這種方法與折紙不同，折紙使用的是折疊。)通過(guò)觀察橡膠和復(fù)合材料中那些kirigami圖案的強(qiáng)度，該團(tuán)隊(duì)能夠創(chuàng)建一個(gè)重復(fù)幾何圖案的材料架構(gòu)。
接下來(lái)，他們需要一種既能保持形狀又能根據(jù)需要消除形狀的材料。在這里，他們引入了一種由低熔點(diǎn)合金(LMPA)制成的內(nèi)骨架，嵌入橡膠皮內(nèi)。通常情況下，當(dāng)一種金屬被拉得太長(zhǎng)時(shí)，金屬會(huì)永久地彎曲、破裂或被拉成一個(gè)固定的、無(wú)法使用的形狀。然而，有了這種嵌入橡膠的特殊金屬，研究人員將這種典型的失敗機(jī)制變成了一種力量。當(dāng)被拉伸時(shí)，這種復(fù)合材料現(xiàn)在會(huì)迅速保持所需的形狀，對(duì)于可以立即成為承重的軟性變形材料來(lái)說(shuō)是完美的。
最后，該材料必須將結(jié)構(gòu)恢復(fù)到其原始形狀。在這里，研究小組在LMPA網(wǎng)旁邊加入了柔軟的、類似卷須的加熱器。這些加熱器使金屬在60攝氏度(140華氏度)，或鋁的熔化溫度的10%，轉(zhuǎn)化為液體。彈性體表皮使熔化的金屬保持在適當(dāng)?shù)奈恢茫缓髮⒉牧侠卦瓉?lái)的形狀，扭轉(zhuǎn)拉伸，使復(fù)合材料具有研究人員所說(shuō)的 “可逆塑性”。金屬冷卻后，它再次有助于保持結(jié)構(gòu)的形狀。
“這些復(fù)合材料有一個(gè)金屬內(nèi)骨架嵌入到帶有軟性加熱器的橡膠中，其中受kirigami啟發(fā)的切口定義了一個(gè)金屬梁的陣列。”Hwang說(shuō)：“這些切割與材料的獨(dú)特屬性相結(jié)合，對(duì)于變形、迅速固定成形狀，然后恢復(fù)到原來(lái)的形狀，真的很重要。”
研究人員發(fā)現(xiàn)，這種受kirigami啟發(fā)的復(fù)合材料設(shè)計(jì)可以創(chuàng)造出復(fù)雜的形狀，從圓柱體到球到辣椒底部的凹凸形狀。形狀的改變也可以快速實(shí)現(xiàn)。在與球撞擊后，形狀在不到0.1秒的時(shí)間內(nèi)改變并固定到位。另外，如果材料斷裂，可以通過(guò)熔化和改造金屬內(nèi)骨骼來(lái)多次愈合。
這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用才剛剛開(kāi)始。通過(guò)將這種材料與機(jī)載動(dòng)力、控制和電機(jī)相結(jié)合，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了一種功能性的無(wú)人機(jī)，可以自主地從地面到空中飛行。該團(tuán)隊(duì)還創(chuàng)造了一個(gè)小型的、可部署的潛艇，利用材料的變形和返回，通過(guò)沿底部刮動(dòng)潛艇的腹部，從水族箱中撈出物體。
“我們對(duì)這種材料為多功能機(jī)器人帶來(lái)的機(jī)會(huì)感到興奮。”Barron說(shuō)：“這些復(fù)合材料的強(qiáng)度足以承受來(lái)自馬達(dá)或推進(jìn)系統(tǒng)的力量，但又能輕易地進(jìn)行形狀變形，這使得機(jī)器能夠適應(yīng)它們的環(huán)境。”
展望未來(lái)，研究人員設(shè)想變形復(fù)合材料將在新興的軟體機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)揮作用，創(chuàng)造出能夠執(zhí)行不同功能的機(jī)器，在受損后自我修復(fù)以提高復(fù)原力，并刺激人機(jī)界面和可穿戴設(shè)備的不同想法。
原標(biāo)題：科學(xué)家開(kāi)發(fā)新型無(wú)人機(jī) 利用液態(tài)金屬?gòu)牡孛孳囕v“變形”為飛行器
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