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新型超材料問世：從折紙藝術(shù)到“元機(jī)器人”的范式革命
2025年04月29日 15:19:36
來源：化工儀器網(wǎng) 點(diǎn)擊量：5085
美國一雜志發(fā)表突破性成果：一種無需電機(jī)或齒輪、僅通過電磁場驅(qū)動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)變形與移動(dòng)的超材料問世。
在機(jī)器人技術(shù)與材料科學(xué)的交叉領(lǐng)域，美國普林斯頓大學(xué)團(tuán)隊(duì)近日于《自然》雜志發(fā)表突破性成果：一種無需電機(jī)或齒輪、僅通過電磁場驅(qū)動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)變形與移動(dòng)的超材料問世。這項(xiàng)技術(shù)通過模仿折紙藝術(shù)的幾何原理，首次將材料的功能性與機(jī)器人的智能性深度融合，標(biāo)志著智能材料領(lǐng)域進(jìn)入“無機(jī)械結(jié)構(gòu)”的新紀(jì)元。
該超材料的核心創(chuàng)新在于其克雷斯林圖案(Kresling pattern)的模塊化結(jié)構(gòu)。研究團(tuán)隊(duì)以塑料管為基底，內(nèi)置特定排列的支撐支柱，通過壓縮與扭轉(zhuǎn)的耦合效應(yīng)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換——當(dāng)塑料管被壓縮時(shí)，其螺旋結(jié)構(gòu)會(huì)自發(fā)扭曲，而扭曲過程又進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)壓縮，形成閉環(huán)反饋。這種“壓縮-扭轉(zhuǎn)”機(jī)制借鑒了折紙中的雙穩(wěn)態(tài)折疊原理，即材料在兩種穩(wěn)定形態(tài)間切換時(shí)無需持續(xù)能量輸入，僅需初始電磁脈沖即可觸發(fā)。
為構(gòu)建復(fù)雜運(yùn)動(dòng)能力，團(tuán)隊(duì)將兩個(gè)鏡像對稱的克雷斯林管連接為基本單元，并通過手性不對稱設(shè)計(jì)(chiral asymmetry)賦予其方向性。當(dāng)置于交變磁場中時(shí)，磁性復(fù)合材料層與塑料基體的相互作用導(dǎo)致單元間產(chǎn)生協(xié)同形變，最終實(shí)現(xiàn)材料的整體膨脹、收縮、扭轉(zhuǎn)甚至定向移動(dòng)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，僅需0.1特斯拉的弱磁場即可驅(qū)動(dòng)材料完成±90°扭轉(zhuǎn)，形變幅度達(dá)原始尺寸的300%，且響應(yīng)延遲低于50毫秒。
研究團(tuán)隊(duì)將該超材料命名為“元機(jī)器人”(Metabot)，強(qiáng)調(diào)其“材料即機(jī)器”的屬性。與傳統(tǒng)機(jī)器人依賴齒輪、電機(jī)等機(jī)械結(jié)構(gòu)不同，Metabot的智能行為完全由物理結(jié)構(gòu)與電磁場的交互決定：模塊化可編程性：通過組合不同幾何參數(shù)的克雷斯林單元，可設(shè)計(jì)出具有特定運(yùn)動(dòng)軌跡的Metabot，例如模擬蛇形爬行的波浪式變形或仿生章魚的觸手抓取。非接觸式操控：磁場穿透性使Metabot能在密閉空間(如人體血管或航天器艙體)內(nèi)遠(yuǎn)程作業(yè)，避免傳統(tǒng)機(jī)械臂的剛性碰撞風(fēng)險(xiǎn)。能量效率：形變能量存儲于材料內(nèi)部，回收率高達(dá)85%，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器(通常低于40%)。
在實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)展示了Metabot的醫(yī)療應(yīng)用潛力：通過編程控制其形變路徑，可實(shí)現(xiàn)毫米級精度的藥物膠囊推送，并在模擬血管環(huán)境中以0.5mm/s速度自主導(dǎo)航。此外，Metabot的熱響應(yīng)特性亦令人矚目——在20秒內(nèi)將表面溫度從27℃提升至70℃，并維持±1℃的穩(wěn)態(tài)波動(dòng)，為微創(chuàng)手術(shù)中的組織消融提供了新工具。
研究團(tuán)隊(duì)已啟動(dòng)與NASA、強(qiáng)生等機(jī)構(gòu)的合作，計(jì)劃在2027年前完成原型驗(yàn)證。若成功突破產(chǎn)業(yè)化瓶頸，Metabot或?qū)⒊蔀榈谒拇喂I(yè)革命的“基石材料”，推動(dòng)“智能物質(zhì)”時(shí)代加速到來。從折紙藝術(shù)的古老智慧到超材料的未來科技，Metabot的誕生不僅顛覆了“機(jī)器人”的定義，更揭示了材料科學(xué)與信息技術(shù)的深層融合。
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