可重新编程的乐高式积木模拟生活灵活性
运动设计内幕
倪小月看着一条尾巴可重新编程的机器鱼在鱼缸里游泳。演示证明可能会产生具有可重新编程材料特性的材料，这些材料可以在人体或电子设备内部发挥作用。 （图片：研究人员提供）杜克大学的机械工程师展示了一种概念验证方法，可将机械属性编程到类似于乐高积木的固体积木中。通过以特定模式控制数百个单个细胞的坚固性，该方法可以使未来机器人能够动态改变其机械特性和功能。
在最初的测试中，研究人员展示了具有各种配置的尾状 3D 光束如何以相同的运动活动沿着不同的路径在水中移动机器鱼。该团队设想了该技术的微型版本，例如，可以通过血管进行操作以调查其健康状况，甚至可以重新配置以形成自适应支架。
“我们想要制造有生命的材料，”该论文的第一作者、博士生白云解释道。杜克大学机械工程与材料科学助理教授倪晓月实验室的学生。 “3D 打印机可以制造具有特定机械性能的材料，但你必须重复打印才能改变它们。我们希望创造出类似人体肌肉的东西，可以实时改变其硬度。”
为了实现这一目标，研究人员在单个细胞中填充了镓和铁的配方。在室温下，这种金属复合材料可以是固体或液体。从一个完整的固体开始，研究人员可以通过电流加热来液化任何模式的细胞，就像在硬盘驱动器中写入和存储 1 和 0 一样。
在二维中，所得材料本质上是一个薄片，可以对其进行编程以精确地改变刚度和阻尼，而无需改变其形状或几何形状。该材料经过严格测试，显示出巨大的灵活性，可以模仿从塑料到橡胶的一系列市售软材料。
然而，这个概念在三个维度上变得更加有趣。在演示中，研究人员创建了类似乐高的积木，可以以任何配置将其粘在一起或拆开。每个块类似于包含 27 个独立细胞的魔方，每个细胞都可以通过电信号产生的局部热量液化。 “这使我们能够灵活地创建具有不同机械性能的 3D 结构，”Bai 说。 “将这些块冷冻在零度下会将所有细胞重置为固态，以便它们的配置可以一次又一次地重新编程。”
在论文中，研究人员将 10 个这样的立方体粘在一起形成直柱，以创建一种可编程尾巴，将其连接到机器鱼内的简单电机上，并测试各种配置的游泳能力。同一条机器鱼，尾部固体细胞排列不同，表现出截然不同的游动轨迹。
在这个平台的基础上，研究人员设想使用不同的金属来创造不同的凝固点和熔点，使这些材料能够在人体内使用。他们还相信该装置可以小型化，以便在人体血管或精密电子系统等微小范围内工作。
“我们的目标是最终使用复合材料构建更大的系统，”倪说。 “我们希望为机器人制造灵活的可编程材料，使它们能够在各种环境中执行各种任务。”
来源
复合材料