利用液態金屬製作柔性骨架，機器人既能“地上跑”也能“天上飛”

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》雜誌上的研究，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並將它們固定在沒有電機或滑輪的位置。

無人車能夠使用液態金屬變形和彎曲。

圖片來源：弗吉尼亞理工大學

“當開始這個專案時，我們想要一種可做3件事的材料：改變形狀、保持形狀，然後恢復到原始配置，並在多個週期內完成。”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，“其中一個挑戰是創造一種足夠柔軟的材料，可顯著改變形狀，但又足夠堅硬，可製造出能執行不同功能的適應性機器。”

為了創造一個可變形結構，該團隊借鑑了剪紙藝術。透過觀察橡膠和複合材料中這些剪紙圖案的強度，該團隊創建出了具有重複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）製成的內骨架。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後，當拉伸時，這種複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。

最後，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鬚狀加熱器。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，然後將材料拉回原來的形狀，扭轉拉伸，使複合材料具有“可逆塑性”。金屬冷卻後，它再次有助於保持結構的形狀。

研究人員稱，這些複合材料的金屬內骨架嵌入橡膠中，帶有軟加熱器，剪紙風格的切口定義了一系列金屬梁。這些切割與材料的獨特特性相結合對於變形、快速固定形狀、然後恢復到原始形狀非常重要。

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

透過將這種材料與機載電源、控制和電機相結合，該團隊創造了一種功能性無人機，可以自動從地面車變形為飛行器。該團隊還創造了一艘小型、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：

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並保持；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。現在，一種變形複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，還將有受損後自我修復的彈性裝置，能在人機介面和可穿戴方面激發豐富的應用。

【來源：科技日報】

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