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超材料可從柔性“秒變”剛性

  美國研究人員使用機械超材料(具有自然界中不存在的獨特機械性能)開發出一種新型材料,可響應磁場從柔性變為剛性,在智慧可穿戴設備和柔性機器人中具有廣泛應用前景。

  當前的機械超材料有著吸引人的特性,如負熱膨脹,低重量時的高強度和高剛度。但一旦構建完成,其屬性將無法更改或調整。美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室和加州大學聖地亞哥分校共同開展的新項目,旨在利用磁場創造一種具有動態可調機械特性的機械超材料,同時又不會引起顯著的形狀變化。

  他們採用了所謂的4D打印技術,其得名于3D打印物體可隨時間改變形狀,時間是第四維度。通常,這種類型的結構會對刺激(熱、水化作用或磁場)作出響應而改變形狀。

  研究人員開發的場響應超材料(FRMM)可根據磁場的變化改變其性質。然而,與典型的4D打印材料不同的是,其不會改變整體形狀,而是改變剛度。

  其製造過程是,首先通過3D打印製作機械超材料,該材料由空心梁而非典型的實心梁構成。打印出中空管狀超材料後,將磁流變流體注入梁芯,完成場響應超材料的製造。磁流變流體由磁性顆粒構成,懸浮在非磁性介質中。當流體存在磁場時,磁性粒子沿磁場線排列成鏈,增加了流體的剛度,從而同時增加了整體結構的剛度。當磁場被移除時,流體表現為液體,能夠自由流動。

  研究人員表示,這種磁機械效應不僅僅是一個開關響應,結構的剛度還可通過施加的磁場強度進行調整。通過仔細選擇管狀結構,場響應超材料的機械性能可在不到一秒的時間內顯示出高達318%的拉伸剛度。

  研究人員認為,場響應超材料可用作柔性機器人中的可變剛度接頭,並可集成到智慧可穿戴設備中,這些可穿戴設備在沒有磁場的情況下是靈活的,但在檢測到威脅時可改變屬性以吸收衝擊或振動。

  總編輯圈點

  看不見摸不著的磁場,真是一種神奇的客觀存在!在現代科技和人類生活中,從發電機、電動機、變壓器、電報到加速器、熱核聚變裝置……無不與磁現象有關。如今,連材料的軟硬都能瞬間因之轉換,腦補一下,機器人、電子設備乃至人類被賦予“變形超能力”後,將是何種魔幻世界?!

關鍵詞: 機械;機器人