科学家发明由蚱蜢启发的橡胶薄膜加热后可以快速射向空中

2023-01-20 21:46:52 来源：cnBeta

(资料图片)

在一个偶然的发现中，科罗拉多大学博尔德分校（CU Boulder）的工程师们开发了一种材料，当它被加热时，首先变形，然后射向空中。研究人员说，这种材料有朝一日可以用来帮助软体机器人跳跃或举起物体。

作为一项研究的一部分，在2022年获得科罗拉多大学博尔德分校化学和生物工程博士学位的研究员Tayler Hebner和她的同事正在研究一类被称为液晶弹性体的材料在受热时的不同行为方式。这些材料是笔记本电脑屏幕或电视等显示器内部使用的液晶的凝固和弹性版本，甚至有一天可能被用于挡风玻璃，以保护飞行员不会被恶意的激光指示器照射到失明。

"我们只是看着液晶弹性材料坐在热板上，想知道为什么它没有做出我们预期的形状，"Hebner说。"它突然从测试台上跳到台面上。我们俩只是互相看着对方，有点困惑，但也很兴奋。"

与加州理工学院的同事进行的进一步调查显示，造成这种跳跃行为的原因是，这种大约只有隐形眼镜大小的薄膜由三层组成。当加热时，前两层比底层收缩得更快，导致它形成一个圆锥体形状。最终由于张力的积聚，圆锥体倒转，撞击到它被加热的表面并折断到空中。在测试中，研究人员发现，在短短六毫秒内，薄膜可以飙升至其厚度的近200倍。

研究报告的共同作者、科罗拉多大学博尔德分校化学和生物工程教授蒂莫西-怀特说："当这种反转发生时，材料就会折断，就像孩子的爆竹玩具一样，它从表面跃起。在这方面，这项研究与2020年在哈佛大学进行的研究相呼应，在该研究中，一个爆裂玩具的设计激发了一种执行装置，有朝一日可能会帮助软体机器人穿越艰难的地形。"

研究人员将影片中的动作与蚱蜢实现其令人印象深刻的跳跃展示的方式相比较，并认为它也可能在软体机器人的发展中占有一席之地--那些在没有金属或其他硬质材料的情况下运作的机器，如那些利用光和磁场像人类一样快速行走的机器。

"在自然界中，像蚱蜢的腿这样的很多适应性都是利用储存的能量，例如弹性不稳定，"怀特说，"我们正试图创造模仿这些自然特性的合成材料。"

作为揭开正在使用的薄膜结构的一部分，研究小组发现，他们的材料也可以通过冷却而不是加热来使其跳跃。他们还说，通过在薄膜上添加腿，该材料可以获得方向控制。虽然研究小组承认这种材料可能不会成为软体机器人的主要运动来源，但他们觉得这一发现有助于增加关于如何使这些创新机器更好地运作的知识，因为它显示了材料在某些条件下储存然后释放能量的潜力。这是一个有力的例子，说明我们研究的基本概念如何能够转化为以复杂和惊人方式执行的设计。

这项研究已经发表在《科学进展》杂志上。

关键词：科罗拉多州 2019