想象一下一種小型的自主車輛可以在陸地上行駛,停下來,卻突然壓扁變成一架四旋翼無人機(jī)的場(chǎng)景。旋翼開始旋轉(zhuǎn)后,無人機(jī)就飛走了。更仔細(xì)地觀察它,你認(rèn)為你會(huì)看到什么?是什么機(jī)制使它從一個(gè)陸地交通工具變成了一個(gè)飛行的四旋翼無人機(jī)?你可能會(huì)想象到齒輪等部件,也許是一系列微小的伺服電機(jī),將它的所有部件拉到合適的位置。這種機(jī)制是由機(jī)械工程系副教授 Michael Bartlet領(lǐng)導(dǎo)的弗吉尼亞理工大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的,他們提出了一種在材料層面改變形狀的新方法。
這些研究人員利用橡膠、金屬和溫度對(duì)材料進(jìn)行變形,并在沒有電機(jī)或滑輪的情況下將它們固定到位。該團(tuán)隊(duì)的工作已經(jīng)發(fā)表在《科學(xué)機(jī)器人》上。該論文的共同作者包括研究生Dohgyu Hwang和Edward J. Barron III以及博士后研究員A.B. M. Tahidul Haque。
自然界有很多改變形狀以執(zhí)行不同功能的生物。章魚戲劇性地改變形狀以移動(dòng)、進(jìn)食和與環(huán)境互動(dòng);人類彎曲肌肉以支持負(fù)荷和保持形狀;植物移動(dòng)以捕獲全天的陽光。但如何創(chuàng)造一種能夠?qū)崿F(xiàn)這些功能的材料,以實(shí)現(xiàn)新型的多功能、變形機(jī)器人?
Bartlet說:“當(dāng)我們開始這個(gè)項(xiàng)目時(shí),我們希望有一種材料能做三件事:改變形狀,保持這種形狀,然后返回到原來的配置,并在許多周期內(nèi)做到這一點(diǎn)。其中一個(gè)挑戰(zhàn)是創(chuàng)造一種材料,它足夠柔軟,可以極大地改變形狀,但又足夠堅(jiān)硬,以創(chuàng)造出可以執(zhí)行不同功能的適應(yīng)性機(jī)器。”
為了創(chuàng)造一個(gè)可以變形的結(jié)構(gòu),該團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)向了kirigami,這是一種通過切割用紙制作形狀的日本藝術(shù)。(這種方法與折紙不同,折紙使用的是折疊。)通過觀察橡膠和復(fù)合材料中那些kirigami圖案的強(qiáng)度,該團(tuán)隊(duì)能夠創(chuàng)建一個(gè)重復(fù)幾何圖案的材料架構(gòu)。
接下來,他們需要一種既能保持形狀又能根據(jù)需要消除形狀的材料。在這里,他們引入了一種由低熔點(diǎn)合金(LMPA)制成的內(nèi)骨架,嵌入橡膠皮內(nèi)。通常情況下,當(dāng)一種金屬被拉得太長時(shí),金屬會(huì)永久地彎曲、破裂或被拉成一個(gè)固定的、無法使用的形狀。然而,有了這種嵌入橡膠的特殊金屬,研究人員將這種典型的失敗機(jī)制變成了一種力量。當(dāng)被拉伸時(shí),這種復(fù)合材料現(xiàn)在會(huì)迅速保持所需的形狀,對(duì)于可以立即成為承重的軟性變形材料來說是完美的。
最后,該材料必須將結(jié)構(gòu)恢復(fù)到其原始形狀。在這里,研究小組在LMPA網(wǎng)旁邊加入了柔軟的、類似卷須的加熱器。這些加熱器使金屬在60攝氏度(140華氏度),或鋁的熔化溫度的10%,轉(zhuǎn)化為液體。彈性體表皮使熔化的金屬保持在適當(dāng)?shù)奈恢?,然后將材料拉回原來的形狀,扭轉(zhuǎn)拉伸,使復(fù)合材料具有研究人員所說的 “可逆塑性”。金屬冷卻后,它再次有助于保持結(jié)構(gòu)的形狀。
“這些復(fù)合材料有一個(gè)金屬內(nèi)骨架嵌入到帶有軟性加熱器的橡膠中,其中受kirigami啟發(fā)的切口定義了一個(gè)金屬梁的陣列?!盚wang說:“這些切割與材料的獨(dú)特屬性相結(jié)合,對(duì)于變形、迅速固定成形狀,然后恢復(fù)到原來的形狀,真的很重要?!?/p>
研究人員發(fā)現(xiàn),這種受kirigami啟發(fā)的復(fù)合材料設(shè)計(jì)可以創(chuàng)造出復(fù)雜的形狀,從圓柱體到球到辣椒底部的凹凸形狀。形狀的改變也可以快速實(shí)現(xiàn)。在與球撞擊后,形狀在不到0.1秒的時(shí)間內(nèi)改變并固定到位。另外,如果材料斷裂,可以通過熔化和改造金屬內(nèi)骨骼來多次愈合。
這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用才剛剛開始。通過將這種材料與機(jī)載動(dòng)力、控制和電機(jī)相結(jié)合,該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了一種功能性的無人機(jī),可以自主地從地面到空中飛行。該團(tuán)隊(duì)還創(chuàng)造了一個(gè)小型的、可部署的潛艇,利用材料的變形和返回,通過沿底部刮動(dòng)潛艇的腹部,從水族箱中撈出物體。
“我們對(duì)這種材料為多功能機(jī)器人帶來的機(jī)會(huì)感到興奮。”Barron說:“這些復(fù)合材料的強(qiáng)度足以承受來自馬達(dá)或推進(jìn)系統(tǒng)的力量,但又能輕易地進(jìn)行形狀變形,這使得機(jī)器能夠適應(yīng)它們的環(huán)境?!?/p>
展望未來,研究人員設(shè)想變形復(fù)合材料將在新興的軟體機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)揮作用,創(chuàng)造出能夠執(zhí)行不同功能的機(jī)器,在受損后自我修復(fù)以提高復(fù)原力,并刺激人機(jī)界面和可穿戴設(shè)備的不同想法。
本文來源:CNBETA
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