重大新聞，在一項與《變形金剛》系列電影中的場景相呼應(yīng)的研究中，普林斯頓大學(xué)的工程師們開發(fā)出了一種材料(元機器人)，它能夠像遠程控制的機器人一樣擴展、變形、移動和響應(yīng)電磁指令，即使它沒有任何電機或內(nèi)部齒輪。下面就隨托普仕留學(xué)老師走近看看吧！
一、重磅!普林斯頓開發(fā)出元機器人且刊登在自然雜志上
在最近發(fā)表在《自然》雜志上的一項研究中，研究人員解釋了他們?nèi)绾螐恼奂埶囆g(shù)中獲得靈感，設(shè)計出一種連接機器人和材料科學(xué)之間差距的結(jié)構(gòu)。結(jié)果是一種超材料，一種工程材料，其獨特的性能源于其物理結(jié)構(gòu)而不是化學(xué)組成。
該團隊使用基本塑料和特殊設(shè)計的磁性復(fù)合材料的混合物制造了它。通過施加磁場，他們可以改變材料的結(jié)構(gòu)，使其在不直接接觸的情況下向各個方向膨脹、移動和彎曲。
二、深入背后：折紙啟發(fā)的metabbot(元機器人)發(fā)明
該團隊稱他們的發(fā)明為“超機器人”——一種可以改變形狀和移動的超材料。
“電磁場同時攜帶能量和信號?！懊恳环N行為都很簡單，但當你把它們放在一起時，行為就會變得非常復(fù)雜，”該論文的作者之一、普林斯頓大學(xué)安德林格能源與環(huán)境中心電子與計算機工程副教授陳敏杰說?！斑@項研究突破了電力電子技術(shù)的界限，證明了扭矩可以遠程、即時、精確地傳遞一段距離，從而觸發(fā)復(fù)雜的機器人運動。
元胞是許多可重構(gòu)單元胞的模塊化集合體，這些單元胞互為鏡像。這種鏡像，稱為手性，允許復(fù)雜的行為。波利諾實驗室的博士后研究員趙拓(音)說，在一個簡單的推動下，metabbot可以做出很大的扭曲——扭曲、收縮和收縮。
材料和機器人專家趙宣和沒有參與這項研究，他說：“這項工作為折紙設(shè)計和應(yīng)用開辟了一條令人興奮的新途徑?！?/p>
“通過控制模塊的組裝和手性狀態(tài)，目前的工作已經(jīng)實現(xiàn)了極其通用的機械超材料，”麻省理工學(xué)院unas和Helen Whitaker教授趙說?！澳K化、手性折紙超材料的多功能性和潛在功能確實令人印象深刻。”
三、未來影響：跨領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊
意大利特倫托大學(xué)(Universita ' di Trento)固體和結(jié)構(gòu)力學(xué)教授戴維德·比戈尼(Davide Bigoni)稱這項工作具有開創(chuàng)性，并表示它可能“推動多個領(lǐng)域的范式轉(zhuǎn)變，包括軟機器人、航空航天工程、能量吸收和自發(fā)體溫調(diào)節(jié)”。
為了探索這項技術(shù)的機器人應(yīng)用，論文的作者趙拓(音譯)利用普林斯頓材料研究所的激光光刻機制造了一個高度為100微米(比人類頭發(fā)略厚)的元機器人原型。研究人員表示，類似的機器人有一天可以將藥物運送到身體的特定部位，或者幫助外科醫(yī)生修復(fù)受損的骨骼或組織。
研究人員還利用這種超材料制造了一種溫度調(diào)節(jié)器，通過在吸光的黑色表面和反射的黑色表面之間轉(zhuǎn)換來工作。在一項實驗中，研究人員將這種超材料暴露在明亮的陽光下，并能夠?qū)⒈砻鏈囟葟?7攝氏度(80華氏度)調(diào)節(jié)到70攝氏度(158華氏度)，然后再調(diào)節(jié)回來。
另一個可能的用途是天線、透鏡和處理光波長的設(shè)備。
四、材料探究：Kresling模式和磁控制
幾何學(xué)是新材料的關(guān)鍵。研究人員制造了帶有支撐桿的塑料管，這樣管子在被壓縮時就會扭曲，在被扭曲時就會壓縮。在折紙中，這些管子被稱為克雷斯林圖案。研究人員通過在底部連接兩個鏡像克雷斯林管，形成一個長圓柱體，創(chuàng)造了他們設(shè)計的基本構(gòu)件。因此，在一個方向扭曲時，圓柱體的一端折疊，而在相反方向扭曲時，另一端折疊。
這種簡單的重復(fù)管道模式使得使用精確的工程磁場獨立移動管道的每個部分成為可能。磁場使克雷斯林管扭曲、坍縮或爆裂，產(chǎn)生復(fù)雜的行為。
保利諾說，手性——鏡像部分——的一個結(jié)果是，這種材料可以違背物理物體中典型的作用和反應(yīng)規(guī)則。“通常，如果我順時針旋轉(zhuǎn)一根橡膠梁，然后逆時針旋轉(zhuǎn)，它會回到起點，”保利諾說。該小組創(chuàng)造了一個簡單的元機器人，當順時針旋轉(zhuǎn)時，它會折疊，當逆時針旋轉(zhuǎn)時，它會重新打開——這是一種正常的行為。然而，如果以相反的順序扭曲——逆時針然后順時針——同一裝置會坍塌，然后進一步坍塌。
保利諾說，這種不對稱的行為模擬了一種叫做滯后的現(xiàn)象，在這種現(xiàn)象中，系統(tǒng)對刺激的反應(yīng)取決于系統(tǒng)內(nèi)部變化的歷史。這類系統(tǒng)在工程學(xué)、物理學(xué)和經(jīng)濟學(xué)中都有發(fā)現(xiàn)，很難用數(shù)學(xué)方法來建模。保利諾說，這種超材料提供了一種直接模擬這些系統(tǒng)的方法。
這種新材料的一個更長遠的用途是設(shè)計物理結(jié)構(gòu)，模仿計算機中由晶體管制成的邏輯門的性能。
“這給了我們一種物理方法來模擬復(fù)雜的行為，比如非交換態(tài)，”保利諾說。
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