受液滴表面张力启发的变形车轮能更好地吸收颠簸

车轮是汽车、卡车和自行车的重要组成部分，它无处不在，我们常常认为这是理所当然的。但说到轮椅，由于车轮在不平路面或含有障碍物的路面上行驶性能较差，因此坐轮椅的人大多数只能在"公路"上行走。移动机器人也是如此。

现在，一组韩国研究人员真的重新发明了轮子，他们开发出了一种可调节的轮子，这种轮子可以实时改变形状，以克服地面上的障碍，使人们可以不走寻常路。

好吧，"重新发明轮子"可能是夸张的说法。几年前，轮胎巨头韩泰轮胎与首尔国立大学和哈佛大学合作，从折纸中汲取灵感，发明了可变形车轮。在此之前的许多年里，研究生阿基姆-恩圭尼亚（Ackeem Ngwenya）开发出了"无路"车轮系统，只需转动螺丝，车轮胎面就能由窄变宽。此外，美国国家航空航天局（NASA）还为其漫游车制造了由镍钛合金制成的轮胎，这种轮胎可以变形到车轴，然后恢复到原来的形状。

地面不平或障碍物较多的问题可以通过履带式运动系统来解决，这是一种专门设计的机械装置，可以增加轮子的表面积。但是，履带系统的速度相对较低，而且由于系统与地面的接触面积增大，摩擦力增大，因此比轮式系统消耗更多的能量。

使用无气轮胎（或称非充气轮胎）穿越恶劣地形具有一定优势，因为它们不易被刺穿、漏气和爆胎。但轮胎的硬度意味着它们不擅长克服障碍，尤其是高处的障碍，因为它们的变形能力较差，或者说不太能适应所经过的地面。

B.说明了钢丝辐条和智能链结构；D.显示了轮毂间隙发生变化时车轮的形状会发生什么变化

因此，受液滴表面张力的启发，科学家们创造了一种刚度可变的车轮，它既能克服崎岖的地形和障碍，又能保持普通车轮在平地上行驶的优势。液体的表面张力源于分子间吸引力或内聚力的不平衡。散装液体中的分子在各个方向上都会受到其他分子的内聚力，而液体表面的分子只会受到向内的净内聚力。在液滴中，当表面分子的内聚力增加时，液体分子向内的净拉力也会增加，从而导致液滴恢复成圆形。

在平地上试驾双轮轮椅

可变形车轮的一个关键方面是它的"智能链结构"，它由车轮外侧的一圈链块组成，通过钢丝辐条连接到中央轮毂的两侧。通过改变轮毂两侧的间隙，研究人员可以改变辐条的长度，从而改变外部链块的形状。增大轮毂间隙可缩短辐条，迫使链块向内移动，形成一个可快速移动的圆形车轮。减小辐条间隙可延长钢丝辐条，松开链块，使其变形并越过遇到的障碍。

在草地上试驾双轮轮椅

研究人员在一辆两轮轮椅和一辆四轮汽车上测试了他们的自适应车轮，发现每种车轮都能适应并驶过比车轮半径高 1.2 倍的大台阶和不规则形状的岩石。

上面的视频展示了重 120 千克（265 磅）的双轮轮椅系统如何轻松地行走在凹凸不平的草地上--不过，轮椅的极度前倾确实让人担心最终乘坐者的安全。研究人员还没有提供四轮车的运行视频，但下面有相关图片。

研究人员测试了一辆装有四个受表面张力启发的自适应车轮的汽车

研究人员注意到，灰尘和微粒进入智能链块之间的区域，对车轮造成了损坏，因此他们正努力在未来的迭代中增加车轮罩结构。他们认为这种可调整的轮子具有巨大的潜力。

这项研究展示了轮椅实际车轮尺度上的实时刚度变化，表明基于车轮的机器人和运输系统具有更广泛的共同应用，可在崎岖地形上高效行驶。

这项研究发表在《科学机器人学》杂志上。