机器人既能“地上跑”也能“天上飞”

无人车能够利用液态金属变形和弯曲。图片来源：弗吉尼亚理工大学

想象一下一辆小型自动驾驶汽车正在陆地上行驶，却突然将自己压扁，变成四轴飞行器飞走。据发表在最新一期《科学·机器人》杂志上的研究，美国团队设计了一种在材料层面改变形状的新方法，使用橡胶、金属和温度对材料进行变形并将它们固定在没有电机或滑轮的位置。

“当开始这个项目时，我们想要一种可做3件事的材料：改变形状、保持形状，然后恢复到原始配置，并在多个周期内完成。”弗吉尼亚理工大学机械工程系助理教授迈克尔·巴特利特说。

为了创造一个可变形结构，该团队借鉴了剪纸艺术。通过观察橡胶和复合材料中这些剪纸图案的强度，该团队创建出了具有重复几何图案的材料结构。

接下来，研究人员开发出一种能够保持形状但允许按需消除该形状的材料。他们引入了一种由嵌入橡胶皮内的低熔点合金（LMPA）制成的内骨架。通常，当金属被拉伸得太远时，金属会永久弯曲、断裂或拉伸成固定的、无法再用的形状。而将特殊合金嵌入橡胶后，当拉伸时，这种复合材料可迅速保持所需的形状，非常适合可立即承重的柔性变形材料。

最后，材料必须使结构恢复到原来的形状。研究团队在LMPA网格旁加入柔软的卷须状加热器。加热器使金属在60℃或铝熔化温度的10%时转化为液体。弹性体表皮将熔化的金属保持在原位，然后将材料拉回原来的形状，扭转拉伸，使复合材料具有“可逆塑性”。金属冷却后，它再次有助于保持结构的形状。

研究人员发现，这种受剪纸启发的复合设计可创造出复杂的形状，从圆柱体到球状再到凹凸形状。形状改变也可快速实现：用球撞击后，形状改变并在不到1/10秒内固定到位。此外，如果材料破裂，可通过熔化和重整金属内骨架来多次修复。

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大自然中很多有机体都可改变形状以执行不同的功能。譬如章鱼能大幅改变形状来移动、进食或者与环境互动；人类也能弯曲肌肉进行支撑并保持；植物则可全天候移动以捕捉阳光。但在工程学中能否实现仍然未知。现在，一种变形复合材料不但强度足够，还很容易变形，使得机器人能最大化适应环境。未来这一材料带给我们的，不仅是执行多种功能任务的新一代机器人，还将有受损后自我修复的弹性设备，能在人机界面和可穿戴方面激发丰富的应用。

关键词： 弗吉尼亚