哈佛大学约翰-保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的科学家们开发出了一种可编程的元流体，它具有可调的弹性、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。这种同类首创的元流体使用的是50至500微米的弹性小球悬浮液，这些小球在压力作用下会发生折叠，从根本上改变流体的特性。

这种元流体可用于各种领域，从用于机器人编程的液压致动器，到可根据撞击强度消散能量的智能减震器，再到可从透明过渡到不透明的光学设备。这项研究发表在《自然》杂志上。

SEAS材料科学与机械工程副研究员、论文第一作者Adel Djellouli说："我们对这种新型流体的可能性还只是肤浅的了解。有了这个平台，你可以在许多不同的领域做许多不同的事情。"

超流体与固体超材料

超材料--其特性由结构而非成分决定的人造材料--多年来已被广泛应用于各种领域。但是，大多数材料--如东南欧科学院应用物理学罗伯特-L-华莱士教授兼电气工程文顿-海斯高级研究员费德里科-卡帕索实验室首创的金属透镜--都是固体。

元流体下方显示哈佛标志的可调谐光学元件。资料来源：哈佛大学科学与工程学院

"与固体超材料不同，超流体具有独特的流动能力，能够适应其容器的形状，"SEAS应用力学威廉和阿米-宽-达诺夫（William and Ami Kuan Danoff）教授、论文资深作者卡蒂娅-贝尔托迪（Katia Bertoldi）说。"我们的目标是创造出一种元流体，它不仅拥有这些非凡的特性，还能为可编程粘度、可压缩性和光学特性提供一个平台。"

研究小组利用 SEAS 的马林克罗特物理学和应用物理学教授 David A. Weitz 实验室开发的一种高度可扩展的制造技术，制造出了数十万个这种充满空气的高变形球形胶囊，并将它们悬浮在硅油中。当液体内部的压力增大时，胶囊就会塌陷，形成一个透镜状的半球。当压力消失时，胶囊又会弹回球形。

元流体的特性和应用

这种转变会改变液体的许多特性，包括粘度和不透明度。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。

研究人员通过将元流体装入液压机器人抓手，让抓手抓起一个玻璃瓶、一个鸡蛋和一颗蓝莓，展示了液体的可编程性。在由简单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抓取力，在不压碎所有三个物体的情况下将其抓起。

但有了元流体，就不需要传感了。液体本身会对不同的压力做出反应，改变其顺应性，从而调整抓手的力度，使其能够抓起沉重的瓶子、精致的鸡蛋和小蓝莓，而且无需额外编程。

Djellouli说："我们的研究表明，我们可以利用这种流体为一个简单的机器人赋予智能。"

研究小组还展示了一种流体逻辑门，通过改变元流体就能重新编程。

光学特性和流体状态

当压力发生变化时，元流体的光学特性也会发生变化。当胶囊呈圆形时，它们会散射光线，使液体变得不透明，就像气泡使充气的水呈现白色一样。但当施加压力，胶囊塌陷时，它们就会像微透镜一样聚焦光线，使液体变得透明。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。

研究人员还发现，当胶囊呈球形时，元流体的表现就像牛顿流体，这意味着它的粘度只会随着温度的变化而变化。然而，当胶囊塌陷时，悬浮液就会转变为非牛顿流体，这意味着它的粘度会随着剪切力的变化而变化--剪切力越大，流动性越强。这是第一种能在牛顿和非牛顿状态之间转换的元流体。

接下来，研究人员将探索元流体的声学和热力学特性。Bertoldi 说："这些可扩展、易生产的元流体应用空间巨大。"

编译自:ScitechDaily