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橡皮球+水=可編程的聰明流體材料，或帶來革命性應用

文章來源：賢集網更新時間：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，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、粘度甚至光學特性，這一突破性的發明，革命性的創新，有可能在機器人技術、光學設備、能量消散等多個領域開辟嶄新的應用天地。

橡皮球+水=古怪的流體，既表現為固體又表現為流體的智能液體

哈佛大學約翰·保爾森工程與應用科學學院（SEAS）的科學家開發了一種可編程的超流體，該超流體具有可調的彈性、光學特性、粘度，甚至可以在牛頓流體和非牛頓流體之間轉換。

首創的超流體使用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行器到編程機器人，到可以根據沖擊強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設備。

該研究發表在《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。它們的特性是由經過深思熟慮的較小組件結構決定的。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，在某些點上產生力，在其他點上松弛。如果我們考慮到液體流動并呈現容器形狀的事實，那么超流體可以在固體超材料尚未顯現或原則上無法顯現的地方顯現出來。

“與固體超材料不同，超流體具有獨特的流動能力并適應其容器的形狀，”該研究的第一作者，哈佛大學工程與應用科學學院（SEAS）的科學家Katia Bertoldi說。“我們的目標是創造一種超流體，它不僅具有這些非凡的特性，而且還為可編程的粘度、可壓縮性和光學特性提供了一個平臺。”

科學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，當壓力消退時，它們會收縮并恢復為圓形。這兩種狀態中的每一種都賦予了超流體自己獨特的屬性。

超流體的性質和應用

這種轉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量、厚度和大小來調整。

研究人員通過將超流體加載到液壓機器人抓手中并讓抓手拿起玻璃瓶、雞蛋和藍莓來證明液體的可編程性。在由簡單的空氣或水驅動的傳統液壓系統中，機器人需要某種傳感或外部控制才能調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，改變其順應性以調整夾持器的力，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器人，”Djellouli說。

該團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。

光學特性和流體狀態

當暴露于不斷變化的壓力時，超流體也會改變其光學特性。

當膠囊是圓形的時，它們會散射光，使液體不透明，就像氣泡使充氣水呈現白色一樣。但是，當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。這些光學特性可用于一系列應用，例如根據壓力改變顏色的電子墨水。

研究人員還表明，當膠囊是球形時，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，當膠囊坍塌時，懸浮液會轉化為非牛頓流體，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和熱力學特性。

“這些可擴展、易于生產的超流體的應用空間是巨大的，”Bertoldi說。

應用

這種超流體不僅具有可編程的壓縮性、可變的光學特性和可調整的粘度，而且它的多功能性為其在多種應用中提供了巨大的潛力。

例如，可適應的抓手和可重構的邏輯門的開發已經證明了其實用價值。進一步地，作者預期這種元流體的可編程特性將對其聲學和熱力學特性產生深遠影響，進而提升熱力循環效率和定制化聲波傳播。這些進展得益于能夠識別并產生預期反應的殼體混合物的反向設計平臺。

例如，能夠實現復雜非線性行為的反向設計超流體，能夠通過簡單地更換流體來改變軟致動器的功能，無需為每個新任務重新設計致動器。此外，這種超流體還為開發智能液壓減震器鋪平了道路，這種減震器可以根據沖擊的具體情況調整其能量耗散。最后，盡管作者的研究主要關注緩慢的加載過程，超流體在動態壓力下可能引發的空間雪崩式斷裂事件和波傳播現象，也展現了其在未來研究中的潛在興趣點。

延伸閱讀

要實現超流體在智能機器人領域更大規模的應用，可以從以下幾個方面進行努力：

首先，加強超流體技術的研發，提高其穩定性和可控性。通過深入研究超流體的物理和化學特性，優化其制備工藝，使超流體能夠更穩定地應用于智能機器人中。同時，開發更先進的控制算法和系統，實現對超流體的精確控制，以滿足機器人執行各種復雜任務的需求。

其次，推動超流體與機器人技術的深度融合。將超流體技術與機器人技術相結合，開發出具有自適應、自感知和自學習能力的智能機器人。利用超流體的可變屬性和智能響應能力，使機器人在執行任務時能夠更靈活、更高效地適應環境變化。

此外，降低超流體的生產成本，提高其可生產性。通過優化生產工藝和降低原材料成本，使超流體的制造成本更低，更易于在智能機器人領域大規模應用。

對于超流體未來可能的應用領域的猜想，除了智能機器人領域外，超流體還應該可以在以下領域大顯身手：

航空航天：超流體可以應用于航天器和飛行器中，用于姿態控制、減震和振動控制等方面，提高飛行器的性能和穩定性。可以用于制造更輕、更強、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。

軍事領域：超流體的獨特性能可以應用于軍事裝備和武器系統中，提高裝備的作戰效能和可靠性。

能源與環境：超流體可以用于開發更高效、更環保的能源轉換和儲存系統，如太陽能電池、燃料電池，還可以用于調節和控制液體冷卻系統，提高能源設備的效率和性能。同時，它還可以用于環境治理和污染控制，如污水處理、空氣凈化等。

制造業：超流體可以應用于制造業中的自動化和機器人技術，用于裝配、搬運和處理物體，提高生產效率和靈活性。

醫療保健：在醫療領域，超流體可以用于手術機器人和醫療設備中，提高手術的精確度和安全性，同時也可以應用于藥物輸送和生物醫學檢測等方面。

文章來源：科技日報，徐德文科學頻道，高分子科學前沿，科技聚焦浪漫生活

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