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哈佛大學研發可變形的「智慧液體」
哈佛大學約翰·A·保爾森工程與應用科學學院的科學家近日實現了一項重大突破﹕他們創造出了世界上首個可程式化的變形液體﹐或稱為「元液體」(metafluid)﹐開啟了材料科學的新紀元。這種奇妙的元液體能夠按需改變自身的粘度﹑彈性甚至光學反射特性﹐這些屬性對於從機器人到可變透明度的光學裝置等多種應用領域都極為有用。
「我們只是開始探索這種新型液體的可能性﹐」哈佛大學材料科學與機械工程研究員﹑該研究論文的第一作者Adel Djellouli說﹐「有了這個平台﹐你可以在很多不同領域做很多不同的事情。」這種元液體由50至500微米大小的彈性體小球懸浮液組成。這些小球在壓力下能夠變形﹐從而改變懸浮液的特性。研究小組將數十萬這樣的球體加入到硅油溶液中。當液體壓力增大時﹐這些微囊會塌陷形成透鏡狀的半球形﹔當壓力移除後﹐它們又會彈回原來的球形。
正是這種變化使得元液體能夠改變其屬性。這種改變的程度高度可調取決於微囊的數量﹑厚度和大小。例如﹐元液體可以在牛頓流體(其粘度不隨所施加的壓力而變)與非牛頓流體(其粘度隨剪切力的變化而變化)之間轉換。
這種多功能性可能會帶來深遠的影響。例如﹐在液壓致動器中﹐元液體可以使機器人調節其握力﹐而無需額外的傳感器或編程。實驗小組通過在一個液壓機器人夾持器中使用這種液體﹐成功地抓取了玻璃瓶﹑雞蛋和藍莓。傳統的液壓系統依賴於簡單的空氣或水﹐需要傳感器或外部控制來調節握力﹐以避免造成損壞。相反﹐配備元液體的夾持器可以自動響應不同的壓力。
當從液體中移除壓力時﹐這些微囊會彈回到它們的原始球形狀態。
同樣地﹐這種元液體可以用於智能減震器﹐根據撞擊強度來消散能量。在另一個實驗中﹐研究人員展示了如何利用基於壓力的編程使液體像邏輯門一樣運作。研究人員甚至重新編程了其光學特性。當施加壓力並且微囊塌陷時﹐它們像微透鏡一樣讓光線透過﹐使液體變透明。壓力消失並且微囊恢復成球形後﹐光被散射﹐使元液體變為不透明。
「我們展示了我們可以利用這種液體為簡單的機器人賦予智能﹐」Djellouli說。這一創新建立在超材料的概念上﹐超材料是一種在自然界中不存在的材料﹐它們擁有由其結構而非組成決定的獨特性質。與固態超材料不同﹐元液體可以流動並適應。此靈活性在當前看來非常有前景。研究團隊使用了一種可擴展的製造技術實現了此突破。
「這些易於生產的可擴展元液體的應用範圍極為廣泛﹐」SEAS應用力學William和Ami Kuan Danoff教授﹑該研究論文的高級作者Katia Bertoldi說。
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