導讀
據美國普渡大學官網近日報導，該校的一個團隊演示了具有圓頂圖案的薄片形成一種存儲能量的皮膚，可以執行機械任務，甚至可以進行編程以存儲和處理數據，如同一臺機械計算機。
背景
當你按壓噴泉式飲料瓶蓋上的凹痕圓圈時，蓋子要麼會變得凸出，要麼會變得凹入。當你玩一把拍拍尺手環時，手環要麼會變得拉伸，要麼會變得捲曲。例如，一個圓頂狀物體一開始是凹進去的，當我們施加一些壓力之後，它的形態就顛倒過來，變得凸出來。具有兩個穩定狀態的材料或者結構演示了一個概念：「雙穩態」。
（圖片來源：普渡大學）
創新
近日，美國普渡大學的一個團隊演示了具有圓頂圖案的薄片形成一種存儲能量的皮膚，強勁到足以執行機械任務，甚至可以進行編程以存儲和處理數據，如同一臺機械計算機。
普渡大學研究人員開發出一種方法，可以使材料通過可翻轉的圓頂狀物體在其皮膚中存儲能量。（圖片來源：普渡大學圖片/Jared Pike）
這項研究發表在《極端機械快報》（ExtremeMechanicsLetters）和《先進科學》（Advanced Science）雜誌上。這項超材料技術已通過普渡大學研究基金會技術商業化辦公室申請了臨時專利（追蹤代碼2020-DIAZ-69125）。技術普渡大學機械工程系助理教授安德烈斯·阿列塔（Andres Arrieta）表示：「雙穩態是自然界中發現的重要概念。例如，地蜈蚣具有雙穩態、可摺疊的翅膀，能以非常微小的能量突然變為開放狀態。我們受這種雙穩態的啟發，正在研究開發可編程的結構。」阿列塔團隊從一個邊長一英寸的扁平正方形薄片開始，該薄片帶有一個凸出的圓頂，由熱塑性聚氨酯3D列印而成。經過手指按壓之後，圓頂會突然變成凸形或凹形。當列印這些圓頂的3×3網格時，他們開始見證新的行為。阿列塔表示：「當你顛倒兩個彼此接近的圓頂時，它們開始相互作用。當你開始在薄片上製作這些圓頂圖案時，薄片本身就會開始整體彎曲。翻轉不同的圓頂，你會得到不同的形狀。」他們開始用更大的網格，按壓更複雜的圖案進行實驗。通過驅動某些圓頂（將其壓入或壓出），片材變成圓柱體、星形或鞍形。阿列塔表示：「這些單獨的雙穩態圓頂正在組合形成一種新的超材料，它本身具有多個穩定狀態。我們稱其為分級多穩定性。」你可以用分級多穩定性來做什麼？作為演示，阿列塔團隊使用兩行圓頂構造出一個簡單的機器人抓手。當圓頂凹陷時，抓手臂保持打開狀態。然而，當施加少量氣壓以使球型罩變得凸起時，抓手臂就會閉合得足夠緊，以抓握住一塊小重量的物體。
當受到激勵時，這種材料改變形狀，這樣機器人抓手能夠抓握住物體，並在無需外部能源的情況下握住它。（圖片來源：普渡大學視頻/可編程結構實驗室）
阿列塔表示：「抓住東西很容易，但要保持這種抓握就需要不斷消耗能量。對於人類與機器來說都是如此。但是，這種抓手的有趣之處在於，當我們翻轉圓頂使抓手閉合時，實際上是將能量存儲在皮膚中。抓手臂正在利用這種能量來保持抓力，而無需某些外部能源。實質上，我們用結構本身作為機械電池。」
最終，阿列塔希望在柔性機器人技術中利用該技術。他說：「由於需要大量的馬達和傳感器，重新製造出具有像人手那樣抓握力的機器人手是很難的。但是，如果我們用這些薄片製成皮膚，並以不同的高度印刷各個圓頂，那麼只有一組特定的圓頂會在不同的氣壓水平下制動。通過編程特定的氣壓衝擊，我們可以激活一個圓頂矩陣，以最小的能量創造我們需要的多穩態抓握狀態。」除了改變高度屬性，阿列塔團隊還發現，按不同的順序致動圓頂會產生根本不同的形狀。通過高度、位置、順序這三個屬性，即使很小的圓頂網格也可以產生大量可能的效果。這將阿列塔引向了下一步：機械計算。阿列塔表示：「當你考慮它時，這些上上下下的圓頂很像計算機數據的『1』和『0』。我們可以想像，通過按一定順序在某些位置按下圓頂，然後根據薄片的形狀機械地『讀取』數據，對這樣的薄片進行『編程』。這種效果就可以在沒有電源或中央處理器的情況下實現。這樣一來，未來的機器將更像動物一樣運轉，利用機械感測和處理更快地做出反應。」儘管大量的數學和計算機模擬為這項研究做出了貢獻，但將圖案化圓頂薄片握在你的手中就是一個功能強大且令人滿足的研究工具。阿列塔表示：「直到我們開始親自動手玩遊戲時，才真正理解它是多麼有趣。對於這些圓頂來說，整體肯定大於其各部分的總和。」
關鍵詞
機械計算機、超材料、機器人
參考資料
【1】Jakob A. Faber, Janav P. Udani, Katherine S. Riley, André R. Studart, Andres F. Arrieta. DomePatterned Metamaterial Sheets. Advanced Science, 2020; 7 (22): 2001955 DOI: 10.1002/advs.202001955