重大新聞，在一項(xiàng)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(jī)器人)，它能夠像遠(yuǎn)程控制的機(jī)器人一樣擴(kuò)展、變形、移動和響應(yīng)電磁指令，即使它沒有任何電機(jī)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(jī)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(xiàng)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(jì)出一種連接機(jī)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(dú)特的性能源于其物理結(jié)構(gòu)而不是化學(xué)組成。
該團(tuán)隊(duì)使用基本塑料和特殊設(shè)計(jì)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(jī)器人)發(fā)明
該團(tuán)隊(duì)稱他們的發(fā)明為“超機(jī)器人”——一種可以改變形狀和移動的超材料。
“電磁場同時(shí)攜帶能量和信號?！懊恳环N行為都很簡單，但當(dāng)你把它們放在一起時(shí)，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(jì)算機(jī)工程副教授陳敏杰說?！斑@項(xiàng)研究突破了電力電子技術(shù)的界限，證明了扭矩可以遠(yuǎn)程、即時(shí)、精確地傳遞一段距離，從而觸發(fā)復(fù)雜的機(jī)器人運(yùn)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(shí)驗(yàn)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(jī)器人專家趙宣和沒有參與這項(xiàng)研究，他說：“這項(xiàng)工作為折紙?jiān)O(shè)計(jì)和應(yīng)用開辟了一條令人興奮的新途徑。”
“通過控制模塊的組裝和手性狀態(tài)，目前的工作已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了極其通用的機(jī)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(shí)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(xiàng)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(jī)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(xiàng)技術(shù)的機(jī)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(jī)制造了一個高度為100微米(比人類頭發(fā)略厚)的元機(jī)器人原型。研究人員表示，類似的機(jī)器人有一天可以將藥物運(yùn)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(xiàng)實(shí)驗(yàn)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(shí)就會扭曲，在被扭曲時(shí)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(jì)的基本構(gòu)件。因此，在一個方向扭曲時(shí)，圓柱體的一端折疊，而在相反方向扭曲時(shí)，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(dú)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(shí)針旋轉(zhuǎn)一根橡膠梁，然后逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，它會回到起點(diǎn)，”保利諾說。該小組創(chuàng)造了一個簡單的元機(jī)器人，當(dāng)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，它會折疊，當(dāng)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，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(shí)針然后順時(shí)針——同一裝置會坍塌，然后進(jìn)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(jì)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(yuǎn)的用途是設(shè)計(jì)物理結(jié)構(gòu)，模仿計(jì)算機(jī)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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