可变形的“中国灯笼”结构或为下一代自适应机器铺平道路
- 外汇
- 10小时之前
0 - 5
（来源：中国航空报）
该结构的设计与中国传统的灯笼相似，该材料能够在形成多种稳定形状的过程中储存和释放能量，有望为技术、自适应过滤和响应式材料系统等领域带来新的发展方向。
惟妙惟肖的“灯笼”
研究人员首先将一块薄薄的聚合物薄片切割成菱形平行四边形。然后，在其上均匀分布的狭缝形成窄带状图案，并由顶部和底部的实心条带连接。当两端连接在一起时，薄片折叠成一个类似纸灯笼的空心球形结构。
该研究的作者之一、北卡罗来纳州立大学机械与航空教授尹杰说道：“这种基本形状本身是双稳态的，它在灯笼形态下是稳定的，但当被压缩时，它会突然断裂成类似于陀螺的第二个稳定形状。”
当恢复到原始形态时，该结构会迅速释放储存的弹性能，研究人员将这一过程称为“断裂形态发生”。通过结合扭转和折叠，研究团队创造出了各种其他形状，其中一些形状具有四种稳定状态。
利用磁力控制运动
为了实现远程控制，工程师们在“灯笼”的下部条带上敷设了一层薄磁膜。外部磁场可以在无须直接接触的情况下触发该结构发生扭转或压缩。
在演示中，磁化灯笼如同温和的抓手，能够毫发无损地捕捉和释放活鱼。这些装置还可以用作在水下开启和关闭的流体控制阀，以及快速重新打开塌陷管道的装置。所有这些应用都依赖于储存的弹性能量的快速释放。
该装置运行的视频片段显示，灯笼以精准逼真的动作进行着折断和扭转。这些结构几乎像是在脉动或呼吸，而非纯粹的机械运动。
形状和能量编程
为了控制每种形状的行为，团队创建了一个数学模型，将灯笼的几何形状与储存的弹性能量联系起来。该模型允许研究人员设计特定的稳定性和功率输出配置。
“该模型使我们能够编程我们想要创建的形状、稳定性以及当储存的势能转化为动能时所能达到的功率。”该论文的主要作者、宾夕法尼亚大学博士后研究员Hong Yaoye说道。
几何形状是该系统的主要控制手段。通过修改角度或折叠模式，工程师可以精确调整结构储存和释放能量的方式，从而形成各种形状。
变形机器
每个“灯笼”都可以远程重新编程和触发，这使得该设计成为新型智能材料的潜在构建模块。“展望未来，这些‘灯笼’单元可以组装成二维和三维结构，广泛应用于变形机械超材料和机器人技术。”尹教授说道。
此类系统可作为自适应机器人的基础，这些机器人能够通过磁控肢体爬行、游泳或抓取。它们还可以应用于实际设备，例如，通过展开来调节水流的传感器和过滤器。
多稳态，即结构在多种不同状态下保持稳定的能力，正成为智能材料研究的焦点。本研究展示的结构控制融合了物理学和工程学的概念，将看似简单的装置转变为推进变形机器人技术的强大工具。
北卡罗来纳州立大学的研究团队仅使用一层聚合物，就展示了磁力、几何形状和储存能量如何协同作用，创造出适应性强、快速且可重复的运动。该团队的研究可能为全新一代自适应机器奠定基础。
这项题为“变形‘中国灯笼’结构或为下一代自适应机器铺平道路”的研究于10月10日发表在《自然材料》杂志上。 （逸文）
