如何在不損失能量的情況下模仿自然的彈簧彈跳運動

圖片：CC0公共領域

金星捕蠅草可以做到這一點，下顎螞蟻也可以做到這一點，現在麻省大學阿默斯特分校的材料科學家也可以做到這一點-他們發現了一種有效地將彈簧中的彈性能轉換為動能的方法，以實現高加速度，極高速度自然運動。

第一作者梁旭東和高級研究員阿爾弗雷德·克羅斯比說，在人造系統和許多自然系統的物理學中，將能量從一種形式轉換為另一種形式通常意味著損失大量這種能量。克羅斯比說：「總會有很高的成本，而且轉換中的大部分能量都將丟失。」 「但是，我們發現了至少一種顯著幫助的機制。」 詳細信息在《物理評論函》中。

Liang和Crosby使用高速成像技術，詳細測量了鬆緊帶的回彈運動，該鬆緊帶的運動可以達到與激發它們的許多自然生物系統相似的加速度和速度。通過試驗不同的彈性帶構型，他們發現了一種模仿螞蟻和捕蠅器的快速運動，高功率衝動事件的機制，並且能量損失最小。

現任賓厄姆頓大學教授的梁良和克羅斯比是由前美國麻薩諸塞大學阿默斯特分校專家希拉·帕特克（Sheila Patek）領導的機器人專家和生物學家組成的小組的成員，該專家現在就職於杜克大學。她研究了螳螂蝦極快的猛禽附肢捕捉運動。他們的多機構團隊得到了美國陸軍研究實驗室及其研究辦公室資助的美國陸軍多學科大學研究計劃（MURI）的支持。

在梁的觀察和實驗中，他發現了能量最守恆的基本條件（加上基本物理學），並提出了克羅斯比所謂的「一些非常漂亮的理論和方程式」以支持其結論。Crosby指出：「我們的研究表明，彈簧內部的幾何結構在增強大功率運動的能量轉換過程中起著核心作用。」

梁說，這個秘密原來是在鬆緊帶上增加了戰略性放置的橢圓形而非圓形的孔。「保持效率不是直觀的，在進行實驗之前很難猜測如何做到。但是，一旦看到實驗隨著時間的推移，就可以開始形成理論。可以開始思考其工作原理。 」

他放慢了動作，觀察著像橡皮筋一樣的合成聚合物的彈跳運動。

梁發現結構秘訣在於設計孔的圖案。他說：「沒有孔，一切都在延伸。」 「但是有孔時，材料的某些區域會轉動並塌陷。」 當平帶被拉伸和反衝時，只有不到70％的存儲能量被用於大功率運動，其餘能量則丟失了。

相反，增加孔隙可以將能帶轉變為機械超材料，從而通過旋轉產生運動。他和克羅斯比證明，通過超材料，超過90％的存儲能量被用來驅動運動。Crosby補充說：「在物理學中，彎曲以較少的能量完成相同的運動，因此，當您操縱孔的圖案時，您可以將帶設計為內部彎曲；它變得高效。」

「這表明我們可以使用結構來改變材料的特性。其他人知道這是一種有趣的方法，但是我們將其向前發展，特別是對於高速運動以及從彈性能到動能或運動的轉換。」

兩人希望這一進展將幫助MURI團隊中的機器人專家和其他人達到一個性能目標，以幫助他們設計高效，快速的動力學機器人系統。

梁說：「現在我們可以交出其中一些結構，然後說，&39; 我們認為，新理論為如何看待生物學，如何組織組織或如何構造其殼以允許我們展示出的旋轉性打開了許多新的觀念和問題，」他補充說。