軟物質材料，可以承受其形狀的劇烈變化，做軟機器人很有前景！

2020-10-18 博科園

文章來自：博科園官網（www.bokeyuan.net）

軟物質材料，如橡膠或聚合物，可以承受其形狀的劇烈變化，在靈活性和變形能力至關重要的應用中很有希望。例如，這些材料可以用來製造適合於專門任務的軟機器人，從可以在體內導航的醫療設備，到可以擠過小開口執行搜救任務的機器人。但為了給軟機器人的運動或變形提供動力，研究人員經常使用需要物理連接到機器人上的致動器，這限制了它的實用性。

威斯康星大學麥迪遜分校機械工程教授史蒂芬·魯迪克說：這些致動器通常比機器人本身大得多。例如，有一個巨大的壓縮空氣罐，通過電纜連接到機器人上，用來給軟材料充氣，並為機器人提供動力。由魯迪克領導的一個團隊已經設計出了一種切斷這條繩子的方法。其研究發表在《物理評論快報》期刊上，研究人員展示了一種利用磁場遠程誘導軟複合材料，將其內部結構重新排列成各種新模式的方法。

  • 圖示：外加磁場(藍色)可以使嵌在軟材料中的磁化粒子重新排列成新圖案，通過利用這一現象，研究人員可以微調這種軟材料。

研究表明，在一個相對簡單的系統中，可以得到由磁場水平控制非常廣泛的不同圖案，包括僅靠機械加載不可能實現的圖案，這一進步使科學家能夠設計性能和功能增強的新型軟材料。以這種方式調整材料精細內部結構的能力，使研究人員可以定製其物理屬性，甚至可以根據需要打開和關閉不同的屬性。由於利用磁場消除了對直接接觸或令人討厭的電纜的需求，新的軟材料可能對醫療植入物等應用有用。

該研究團隊與空軍研究實驗室的研究人員合作，使用一種柔軟彈性材料演示並分析了新形成的圖案。在軟材料內部，研究小組以簡單的周期性模式，嵌入了堅硬的可磁化材料的小顆粒。然後，研究人員對材料施加不同水平的磁場，這會導致磁化粒子重新排列，並在軟材料內產生力和應力。從重新排列粒子中出現的新模式，從高度組織和重複的模式，到看似具有大規模秩序但在局部水平上雜亂無章的獨特模式。

值得注意的是，可以調整磁場來產生所需的圖案，並改變材料的性質，魯迪克表示：很高興能在更複雜的材料系統中進一步探索這一現象。彈性不穩定性會引發劇烈的微結構變化，導致軟物質中的異常行為。受這一現象的啟發，研究了軟磁活性彈性體(MAE)複合材料在磁場作用下變形時失穩誘導圖案的形成。具有周期性分布顆粒的相同MAE複合材料，可以隨著不穩定性的發展，而轉變為各種不同周期的新模式。

新形成的模式和後屈曲行為，是由外加磁場的大小決定。研究確定了在周期性粒子軟軟磁活性彈性體(MAE)複合材料中，當不穩定開始時，引起嚴格倍增周期的磁場特定能級。因此，預測的現象有可能用於設計新型的可重構軟材料，使其具有可調材料微結構，並可由磁場遠程控制。

博科園｜研究/來自：威斯康星大學麥迪遜分校

參考期刊《物理評論快報》

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