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橡皮球+水=可編程的聰明流體材料，或帶來革命性應(yīng)用

文章來源：賢集網(wǎng) 更新時間：2024-04-15 16:30:26

美國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；你按下一個開關(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。

也就是說這種神奇的液體是一種可編程的聰明材料，可以通過壓力變化來改變屬性，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、能量消散等多個領(lǐng)域開辟嶄新的應(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

對于超材料，可以這么說，這很簡單。它們的特性是由經(jīng)過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，在某些點上產(chǎn)生力，在其他點上松弛。如果我們考慮到液體流動并呈現(xiàn)容器形狀的事實，那么超流體可以在固體超材料尚未顯現(xiàn)或原則上無法顯現(xiàn)的地方顯現(xiàn)出來。

“與固體超材料不同，超流體具有獨特的流動能力并適應(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。“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)特性提供了一個平臺。”

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。如果對裝有球的容器施加壓力，當(dāng)壓力消退時，它們會收縮并恢復(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。這些特性可以通過改變液體中膠囊的數(shù)量、厚度和大小來調(diào)整。

研究人員通過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)莓來證明液體的可編程性。在由簡單的空氣或水驅(qū)動的傳統(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物體而不會壓碎它們。

但是對于超流體，不需要傳感。液體本身對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，以便能夠拿起一個沉重的瓶子、一個精致的雞蛋和一個小藍(lán)莓，而無需額外的編程。

“我們證明，我們可以使用這種液體將智能賦予一個簡單的機(jī)器人，”Djellouli說。

該團(tuán)隊還展示了一種流體邏輯門，可以通過改變超流體來重新編程。

光學(xué)特性和流體狀態(tài)

當(dāng)暴露于不斷變化的壓力時，超流體也會改變其光學(xué)特性。

當(dāng)膠囊是圓形的時，它們會散射光，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，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，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，懸浮液會轉(zhuǎn)化為非牛頓流體，這意味著其粘度會隨著剪切力而變化——剪切力越大，它的流體就越多。這是第一個被證明在牛頓和非牛頓狀態(tài)之間過渡的超流體。

接下來，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。

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)的邏輯門的開發(fā)已經(jīng)證明了其實用價值。進(jìn)一步地，作者預(yù)期這種元流體的可編程特性將對其聲學(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)展得益于能夠識別并產(chǎn)生預(yù)期反應(yīng)的殼體混合物的反向設(shè)計平臺。

例如，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜非線性行為的反向設(shè)計超流體，能夠通過簡單地更換流體來改變軟致動器的功能，無需為每個新任務(wù)重新設(shè)計致動器。此外，這種超流體還為開發(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)注緩慢的加載過程，超流體在動態(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)了其在未來研究中的潛在興趣點。

延伸閱讀

要實現(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，開發(fā)更先進(jìn)的控制算法和系統(tǒng)，實現(xiàn)對超流體的精確控制，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。

對于超流體未來可能的應(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：超流體可以用于開發(fā)更高效、更環(huán)保的能源轉(zhuǎn)換和儲存系統(tǒng)，如太陽能電池、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，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)中的自動化和機(jī)器人技術(shù)，用于裝配、搬運和處理物體，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，同時也可以應(yīng)用于藥物輸送和生物醫(yī)學(xué)檢測等方面。

文章來源：科技日報，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
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