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橡皮球+水=可编程的聪明流体材料，或带来革命性应用

文章来源：贤集网更新时间：2024-04-15 16:30:26

美国最新曝出一种新型神奇液体超材料，究竟有多神奇呢？现在你面前有一盆神奇液体，啪——你一掌拍下去，水花四溅，这是牛顿流体；你按下一个开关，啪——再一掌下去，痛得呲牙咧嘴，液体变成了钢板，这是非牛顿流体。

也就是说这种神奇的液体是一种可编程的聪明材料，可以通过压力变化来改变属性，在牛顿流体和非牛顿流体之间切换。不仅如此，你还可以通过编程改变它的弹性、粘度甚至光学特性，这一突破性的发明，革命性的创新，有可能在机器人技术、光学设备、能量消散等多个领域开辟崭新的应用天地。

橡皮球+水=古怪的流体，既表现为固体又表现为流体的智能液体

哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的科学家开发了一种可编程的超流体，该超流体具有可调的弹性、光学特性、粘度，甚至可以在牛顿流体和非牛顿流体之间转换。

首创的超流体使用50至500微米之间的小弹性体球体悬浮液，这些球体在压力下弯曲，从根本上改变了流体的特性。超流体可用于从液压执行器到编程机器人，到可以根据冲击强度耗散能量的智能减震器，再到可以从透明过渡到不透明的光学设备。

该研究发表在《自然》杂志上。

超流体与固体超材料

对于超材料，可以这么说，这很简单。它们的特性是由经过深思熟虑的较小组件结构决定的。这些组件的形状、大小和排列使得操纵电磁波或声波的传播成为可能，在某些点上产生力，在其他点上松弛。如果我们考虑到液体流动并呈现容器形状的事实，那么超流体可以在固体超材料尚未显现或原则上无法显现的地方显现出来。

“与固体超材料不同，超流体具有独特的流动能力并适应其容器的形状，”该研究的第一作者，哈佛大学工程与应用科学学院（SEAS）的科学家Katia Bertoldi说。“我们的目标是创造一种超流体，它不仅具有这些非凡的特性，而且还为可编程的粘度、可压缩性和光学特性提供了一个平台。”

科学家提出的超流体是一种直径为50至500微米的充气弹性体球的悬浮液。将小球放入硅油溶液中。如果对装有球的容器施加压力，当压力消退时，它们会收缩并恢复为圆形。这两种状态中的每一种都赋予了超流体自己独特的属性。

超流体的性质和应用

这种转变改变了液体的许多特性，包括其粘度和不透明度。这些特性可以通过改变液体中胶囊的数量、厚度和大小来调整。

研究人员通过将超流体加载到液压机器人抓手中并让抓手拿起玻璃瓶、鸡蛋和蓝莓来证明液体的可编程性。在由简单的空气或水驱动的传统液压系统中，机器人需要某种传感或外部控制才能调整其抓地力并捡起所有三个物体而不会压碎它们。

但是对于超流体，不需要传感。液体本身对不同的压力做出反应，改变其顺应性以调整夹持器的力，以便能够拿起一个沉重的瓶子、一个精致的鸡蛋和一个小蓝莓，而无需额外的编程。

“我们证明，我们可以使用这种液体将智能赋予一个简单的机器人，”Djellouli说。

该团队还展示了一种流体逻辑门，可以通过改变超流体来重新编程。

光学特性和流体状态

当暴露于不断变化的压力时，超流体也会改变其光学特性。

当胶囊是圆形的时，它们会散射光，使液体不透明，就像气泡使充气水呈现白色一样。但是，当施加压力并且胶囊塌陷时，它们就像微透镜一样，聚焦光线并使液体透明。这些光学特性可用于一系列应用，例如根据压力改变颜色的电子墨水。

研究人员还表明，当胶囊是球形时，超流体的行为类似于牛顿流体，这意味着其粘度仅随温度而变化。然而，当胶囊坍塌时，悬浮液会转化为非牛顿流体，这意味着其粘度会随着剪切力而变化——剪切力越大，它的流体就越多。这是第一个被证明在牛顿和非牛顿状态之间过渡的超流体。

接下来，研究人员旨在探索超流体的声学和热力学特性。

“这些可扩展、易于生产的超流体的应用空间是巨大的，”Bertoldi说。

应用

这种超流体不仅具有可编程的压缩性、可变的光学特性和可调整的粘度，而且它的多功能性为其在多种应用中提供了巨大的潜力。

例如，可适应的抓手和可重构的逻辑门的开发已经证明了其实用价值。进一步地，作者预期这种元流体的可编程特性将对其声学和热力学特性产生深远影响，进而提升热力循环效率和定制化声波传播。这些进展得益于能够识别并产生预期反应的壳体混合物的反向设计平台。

例如，能够实现复杂非线性行为的反向设计超流体，能够通过简单地更换流体来改变软致动器的功能，无需为每个新任务重新设计致动器。此外，这种超流体还为开发智能液压减震器铺平了道路，这种减震器可以根据冲击的具体情况调整其能量耗散。最后，尽管作者的研究主要关注缓慢的加载过程，超流体在动态压力下可能引发的空间雪崩式断裂事件和波传播现象，也展现了其在未来研究中的潜在兴趣点。

延伸阅读

要实现超流体在智能机器人领域更大规模的应用，可以从以下几个方面进行努力：

首先，加强超流体技术的研发，提高其稳定性和可控性。通过深入研究超流体的物理和化学特性，优化其制备工艺，使超流体能够更稳定地应用于智能机器人中。同时，开发更先进的控制算法和系统，实现对超流体的精确控制，以满足机器人执行各种复杂任务的需求。

其次，推动超流体与机器人技术的深度融合。将超流体技术与机器人技术相结合，开发出具有自适应、自感知和自学习能力的智能机器人。利用超流体的可变属性和智能响应能力，使机器人在执行任务时能够更灵活、更高效地适应环境变化。

此外，降低超流体的生产成本，提高其可生产性。通过优化生产工艺和降低原材料成本，使超流体的制造成本更低，更易于在智能机器人领域大规模应用。

对于超流体未来可能的应用领域的猜想，除了智能机器人领域外，超流体还应该可以在以下领域大显身手：

航空航天：超流体可以应用于航天器和飞行器中，用于姿态控制、减震和振动控制等方面，提高飞行器的性能和稳定性。可以用于制造更轻、更强、更耐用的航空器和航天器部件，提高飞行器的性能和安全性。

军事领域：超流体的独特性能可以应用于军事装备和武器系统中，提高装备的作战效能和可靠性。

能源与环境：超流体可以用于开发更高效、更环保的能源转换和储存系统，如太阳能电池、燃料电池，还可以用于调节和控制液体冷却系统，提高能源设备的效率和性能。同时，它还可以用于环境治理和污染控制，如污水处理、空气净化等。

制造业：超流体可以应用于制造业中的自动化和机器人技术，用于装配、搬运和处理物体，提高生产效率和灵活性。

医疗保健：在医疗领域，超流体可以用于手术机器人和医疗设备中，提高手术的精确度和安全性，同时也可以应用于药物输送和生物医学检测等方面。

文章来源：科技日报，徐德文科学频道，高分子科学前沿，科技聚焦浪漫生活

原文链接：https://www.xianjichina.com/special/detail_545618.html
来源：贤集网
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