普林斯顿工程师开发出既是机器人又是材料本身的“Metabot”

普林斯顿大学的工程师们发明了一种材料，它可以膨胀、变形、移动，并像遥控机器人一样遵循电磁指令，尽管它没有任何马达或内部齿轮。图片来源：Aaron Nathans/普林斯顿大学

在最近发表在《自然》杂志上的一项研究中，研究人员解释了他们如何从折纸艺术中汲取灵感，设计出一种连接机器人技术与材料科学的结构。他们的成果是一种超材料，一种工程材料，其独特性能源于其物理结构而非化学成分。

该团队使用基础塑料和特殊设计的磁性复合材料混合而成，制成了这种材料。通过施加磁场，他们可以改变材料的结构，使其无需直接接触即可膨胀、移动和向各个方向弯曲。

该团队将他们的作品称为“元机器人”——一种可以改变形状和移动的超材料。

“电磁场同时传输电力和信号。每种行为都非常简单，但当它们结合在一起时，就会变得非常复杂，”论文作者、普林斯顿大学电气与计算机工程副教授、安德林格能源与环境中心的陈敏杰说道。“这项研究突破了电力电子学的界限，证明了扭矩可以远程、瞬时、精确地传递到远距离，从而触发复杂的机器人运动。”

普林斯顿大学的科学家们发明了一种磁性可变形超材料，它既像机器人，又像折纸，有望彻底改变从机器人到医学等领域。图片来源：普林斯顿大学

Metabot 是由许多互为镜像的可重构单元组成的模块化集合体。这种镜像关系被称为手性，可以实现复杂的行为。Paulino 实验室的博士后研究员 Tuo Zhao 表示，Metabot 只需轻轻一推就能做出大幅度的扭曲——扭曲、收缩和收缩。

材料和机器人专家赵宣和（未参与这项研究）表示，“这项研究为折纸设计和应用开辟了一条新的、令人兴奋的途径。”

研究人员表示：“通过控制模块的组装和手性状态，当前的研究实现了用途极其广泛的机械超材料。模块化手性折纸超材料的多功能性和潜在功能性确实令人印象深刻。”

意大利特伦托大学固体和结构力学教授达维德·比戈尼称这项工作具有开创性，并表示它可以“推动软机器人、航空航天工程、能量吸收和自发体温调节等多个领域的范式转变”。

论文作者赵拓探索了这项技术的机器人应用，利用普林斯顿材料研究所的激光光刻机，打造了一个高度为100微米（略高于人类头发丝）的元机器人原型。研究人员表示，类似的机器人未来可以将药物输送到身体的特定部位，或帮助外科医生修复受损的骨骼或组织。

研究人员还利用这种超材料制作了一个温度调节器，其工作原理是在吸光黑色表面和反射黑色表面之间切换。在一项实验中，研究人员将这种超材料暴露在明亮的阳光下，能够将表面温度从 27 摄氏度（80 华氏度）调节到70摄氏度（158 华氏度），然后再调节回来。

另一个可能的用途是用于天线、透镜和处理光波长的设备。几何形状是这种新材料的关键。研究人员制作了一些塑料管，这些塑料管的支撑支柱排列得当，压缩时会扭曲，扭曲时会压缩。在折纸艺术中，这些塑料管被称为克雷斯林图案。研究人员通过将两个镜像的克雷斯林管在底部连接起来，形成一个长圆柱体，从而创建了他们设计的构建块。因此，圆柱体的一端朝一个方向扭曲时会折叠，另一端朝相反方向扭曲时也会折叠。

这种简单的重复管道模式使得利用精确设计的磁场可以独立移动管道的每个部分。磁场使克雷斯林管道发生扭曲、塌陷或弹开，从而产生复杂的行为。

手性（镜像截面）的一个后果是，这种材料可以违背物理对象中典型的作用和反作用规则。“通常情况下，如果我先顺时针旋转一根橡胶梁，然后再逆时针旋转，它就会回到起点，”该团队创造了一个简单的元机器人，顺时针旋转时会坍塌，逆时针旋转时会重新打开——这是正常现象。然而，如果以相反的顺序旋转——先逆时针旋转，再顺时针旋转——同一个装置就会坍塌，然后进一步坍塌。

这种不对称行为模拟了一种名为“滞后”的现象，即系统对刺激的响应取决于系统内部变化的历史。这类系统在工程、物理和经济学领域很常见，很难用数学建模。Paulino 表示，超材料提供了一种直接模拟这些系统的方法。

这种新材料的更远大用途是设计物理结构，以模仿计算机中晶体管逻辑门的性能。“这为我们提供了一种模拟复杂行为（例如非交换状态）的物理方法。”

编译自/ScitechDaily