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橡皮球+水=可編程的聰明流體材料，或帶來(lái)革命性應(yīng)用
文章來(lái)源：賢集網(wǎng) 更新時(shí)間：2024-04-15 16:30:26
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美國(guó)最新曝出一種新型神奇液體超材料，究竟有多神奇呢？現(xiàn)在你面前有一盆神奇液體，啪——你一掌拍下去，水花四濺，這是牛頓流體；你按下一個(gè)開(kāi)關(guān)，啪——再一掌下去，痛得呲牙咧嘴，液體變成了鋼板，這是非牛頓流體。 也就是說(shuō)這種神奇的液體是一種可編程的聰明材料，可以通過(guò)壓力變化來(lái)改變屬性，在牛頓流體和非牛頓流體之間切換。不僅如此，你還可以通過(guò)編程改變它的彈性、粘度甚至光學(xué)特性，這一突破性的發(fā)明，革命性的創(chuàng)新，有可能在機(jī)器人技術(shù)、光學(xué)設(shè)備、能量消散等多個(gè)領(lǐng)域開(kāi)辟嶄新的應(yīng)用天地。 橡皮球+水=古怪的流體，既表現(xiàn)為固體又表現(xiàn)為流體的智能液體 哈佛大學(xué)約翰·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）的科學(xué)家開(kāi)發(fā)了一種可編程的超流體，該超流體具有可調(diào)的彈性、光學(xué)特性、粘度，甚至可以在牛頓流體和非牛頓流體之間轉(zhuǎn)換。 首創(chuàng)的超流體使用50至500微米之間的小彈性體球體懸浮液，這些球體在壓力下彎曲，從根本上改變了流體的特性。超流體可用于從液壓執(zhí)行器到編程機(jī)器人，到可以根據(jù)沖擊強(qiáng)度耗散能量的智能減震器，再到可以從透明過(guò)渡到不透明的光學(xué)設(shè)備。 該研究發(fā)表在《自然》雜志上。 超流體與固體超材料 對(duì)于超材料，可以這么說(shuō)，這很簡(jiǎn)單。它們的特性是由經(jīng)過(guò)深思熟慮的較小組件結(jié)構(gòu)決定的。這些組件的形狀、大小和排列使得操縱電磁波或聲波的傳播成為可能，在某些點(diǎn)上產(chǎn)生力，在其他點(diǎn)上松弛。如果我們考慮到液體流動(dòng)并呈現(xiàn)容器形狀的事實(shí)，那么超流體可以在固體超材料尚未顯現(xiàn)或原則上無(wú)法顯現(xiàn)的地方顯現(xiàn)出來(lái)。 “與固體超材料不同，超流體具有獨(dú)特的流動(dòng)能力并適應(yīng)其容器的形狀，”該研究的第一作者，哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）的科學(xué)家Katia Bertoldi說(shuō)。“我們的目標(biāo)是創(chuàng)造一種超流體，它不僅具有這些非凡的特性，而且還為可編程的粘度、可壓縮性和光學(xué)特性提供了一個(gè)平臺(tái)。” 科學(xué)家提出的超流體是一種直徑為50至500微米的充氣彈性體球的懸浮液。將小球放入硅油溶液中。如果對(duì)裝有球的容器施加壓力，當(dāng)壓力消退時(shí)，它們會(huì)收縮并恢復(fù)為圓形。這兩種狀態(tài)中的每一種都賦予了超流體自己獨(dú)特的屬性。 超流體的性質(zhì)和應(yīng)用 這種轉(zhuǎn)變改變了液體的許多特性，包括其粘度和不透明度。這些特性可以通過(guò)改變液體中膠囊的數(shù)量、厚度和大小來(lái)調(diào)整。 研究人員通過(guò)將超流體加載到液壓機(jī)器人抓手中并讓抓手拿起玻璃瓶、雞蛋和藍(lán)莓來(lái)證明液體的可編程性。在由簡(jiǎn)單的空氣或水驅(qū)動(dòng)的傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)中，機(jī)器人需要某種傳感或外部控制才能調(diào)整其抓地力并撿起所有三個(gè)物體而不會(huì)壓碎它們。 但是對(duì)于超流體，不需要傳感。液體本身對(duì)不同的壓力做出反應(yīng)，改變其順應(yīng)性以調(diào)整夾持器的力，以便能夠拿起一個(gè)沉重的瓶子、一個(gè)精致的雞蛋和一個(gè)小藍(lán)莓，而無(wú)需額外的編程。 “我們證明，我們可以使用這種液體將智能賦予一個(gè)簡(jiǎn)單的機(jī)器人，”Djellouli說(shuō)。 該團(tuán)隊(duì)還展示了一種流體邏輯門，可以通過(guò)改變超流體來(lái)重新編程。 光學(xué)特性和流體狀態(tài) 當(dāng)暴露于不斷變化的壓力時(shí)，超流體也會(huì)改變其光學(xué)特性。 當(dāng)膠囊是圓形的時(shí)，它們會(huì)散射光，使液體不透明，就像氣泡使充氣水呈現(xiàn)白色一樣。但是，當(dāng)施加壓力并且膠囊塌陷時(shí)，它們就像微透鏡一樣，聚焦光線并使液體透明。這些光學(xué)特性可用于一系列應(yīng)用，例如根據(jù)壓力改變顏色的電子墨水。 研究人員還表明，當(dāng)膠囊是球形時(shí)，超流體的行為類似于牛頓流體，這意味著其粘度僅隨溫度而變化。然而，當(dāng)膠囊坍塌時(shí)，懸浮液會(huì)轉(zhuǎn)化為非牛頓流體，這意味著其粘度會(huì)隨著剪切力而變化——剪切力越大，它的流體就越多。這是第一個(gè)被證明在牛頓和非牛頓狀態(tài)之間過(guò)渡的超流體。 接下來(lái)，研究人員旨在探索超流體的聲學(xué)和熱力學(xué)特性。 “這些可擴(kuò)展、易于生產(chǎn)的超流體的應(yīng)用空間是巨大的，”Bertoldi說(shuō)。 應(yīng)用 這種超流體不僅具有可編程的壓縮性、可變的光學(xué)特性和可調(diào)整的粘度，而且它的多功能性為其在多種應(yīng)用中提供了巨大的潛力。 例如，可適應(yīng)的抓手和可重構(gòu)的邏輯門的開(kāi)發(fā)已經(jīng)證明了其實(shí)用價(jià)值。進(jìn)一步地，作者預(yù)期這種元流體的可編程特性將對(duì)其聲學(xué)和熱力學(xué)特性產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，進(jìn)而提升熱力循環(huán)效率和定制化聲波傳播。這些進(jìn)展得益于能夠識(shí)別并產(chǎn)生預(yù)期反應(yīng)的殼體混合物的反向設(shè)計(jì)平臺(tái)。 例如，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜非線性行為的反向設(shè)計(jì)超流體，能夠通過(guò)簡(jiǎn)單地更換流體來(lái)改變軟致動(dòng)器的功能，無(wú)需為每個(gè)新任務(wù)重新設(shè)計(jì)致動(dòng)器。此外，這種超流體還為開(kāi)發(fā)智能液壓減震器鋪平了道路，這種減震器可以根據(jù)沖擊的具體情況調(diào)整其能量耗散。最后，盡管作者的研究主要關(guān)注緩慢的加載過(guò)程，超流體在動(dòng)態(tài)壓力下可能引發(fā)的空間雪崩式斷裂事件和波傳播現(xiàn)象，也展現(xiàn)了其在未來(lái)研究中的潛在興趣點(diǎn)。 延伸閱讀 要實(shí)現(xiàn)超流體在智能機(jī)器人領(lǐng)域更大規(guī)模的應(yīng)用，可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行努力： 首先，加強(qiáng)超流體技術(shù)的研發(fā)，提高其穩(wěn)定性和可控性。通過(guò)深入研究超流體的物理和化學(xué)特性，優(yōu)化其制備工藝，使超流體能夠更穩(wěn)定地應(yīng)用于智能機(jī)器人中。同時(shí)，開(kāi)發(fā)更先進(jìn)的控制算法和系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)超流體的精確控制，以滿足機(jī)器人執(zhí)行各種復(fù)雜任務(wù)的需求。 其次，推動(dòng)超流體與機(jī)器人技術(shù)的深度融合。將超流體技術(shù)與機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合，開(kāi)發(fā)出具有自適應(yīng)、自感知和自學(xué)習(xí)能力的智能機(jī)器人。利用超流體的可變屬性和智能響應(yīng)能力，使機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)時(shí)能夠更靈活、更高效地適應(yīng)環(huán)境變化。 此外，降低超流體的生產(chǎn)成本，提高其可生產(chǎn)性。通過(guò)優(yōu)化生產(chǎn)工藝和降低原材料成本，使超流體的制造成本更低，更易于在智能機(jī)器人領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用。 對(duì)于超流體未來(lái)可能的應(yīng)用領(lǐng)域的猜想，除了智能機(jī)器人領(lǐng)域外，超流體還應(yīng)該可以在以下領(lǐng)域大顯身手： 航空航天：超流體可以應(yīng)用于航天器和飛行器中，用于姿態(tài)控制、減震和振動(dòng)控制等方面，提高飛行器的性能和穩(wěn)定性。可以用于制造更輕、更強(qiáng)、更耐用的航空器和航天器部件，提高飛行器的性能和安全性。 軍事領(lǐng)域：超流體的獨(dú)特性能可以應(yīng)用于軍事裝備和武器系統(tǒng)中，提高裝備的作戰(zhàn)效能和可靠性。 能源與環(huán)境：超流體可以用于開(kāi)發(fā)更高效、更環(huán)保的能源轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存系統(tǒng)，如太陽(yáng)能電池、燃料電池，還可以用于調(diào)節(jié)和控制液體冷卻系統(tǒng)，提高能源設(shè)備的效率和性能。同時(shí)，它還可以用于環(huán)境治理和污染控制，如污水處理、空氣凈化等。 制造業(yè)：超流體可以應(yīng)用于制造業(yè)中的自動(dòng)化和機(jī)器人技術(shù)，用于裝配、搬運(yùn)和處理物體，提高生產(chǎn)效率和靈活性。 醫(yī)療保健：在醫(yī)療領(lǐng)域，超流體可以用于手術(shù)機(jī)器人和醫(yī)療設(shè)備中，提高手術(shù)的精確度和安全性，同時(shí)也可以應(yīng)用于藥物輸送和生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)等方面。 文章來(lái)源： 科技日?qǐng)?bào)，徐德文科學(xué)頻道，高分子科學(xué)前沿 ，科技聚焦浪漫生活 原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_545618.html 來(lái)源：賢集網(wǎng) 著作權(quán)歸作者所有。商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系作者獲得授權(quán)，非商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。 |
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