新型软机器人使用液态金属从地面变形为飞行器

弗吉尼亚 理工大学

无人机能够使用液态金属变形和弯曲。学分：弗吉尼亚理工大学

想象一下一辆小型自动驾驶汽车，它可以在陆地上行驶、停下来，然后将自己压扁成四轴飞行器。转子开始旋转，车辆飞走。仔细观察，你认为你会看到什么？是什么机制导致它从陆地飞行器变成飞行四轴飞行器？您可能会想象齿轮和皮带，也许是一系列将所有部件拉入到位的微型伺服电机。

如果这种机制是由机械工程助理教授 Michael Bartlett 领导的弗吉尼亚理工大学的一个团队设计的，你会看到一种在材料层面改变形状的新方法。这些研究人员使用橡胶、金属和温度来变形材料并将它们固定在没有电机或滑轮的位置。该团队的工作已发表在Science Robotics上。该论文的共同作者包括研究生 Dohgyu Hwang 和 Edward J. Barron III 以及博士后研究员 ABM Tahidul Haque。

塑形

大自然中有丰富的有机体，它们可以改变形状以执行不同的功能。章鱼显着地改变形状以移动、进食并与环境互动；人类弯曲肌肉以支撑负载并保持形状；植物全天移动以捕捉阳光。您如何创建实现这些功能的材料以启用新型多功能变形机器人？

“当我们开始这个项目时，我们想要一种可以做三件事的材料：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，”巴特利特说。“其中一个挑战是创造一种足够柔软的材料，可以显着改变形状，但又足够坚硬，可以制造出可以执行不同功能的适应性机器。”

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迈克尔·巴特利特实验室的多功能自主变形无人机。学分：弗吉尼亚理工大学。

为了创造一个可以变形的结构，该团队转向了kirigami，这是一种日本艺术，通过切割用纸制作形状。（这种方法与使用折叠的折纸不同。）通过观察橡胶和复合材料中这些剪纸图案的强度，该团队能够创建具有重复几何图案的材料结构。

接下来，他们需要一种能够保持形状但允许根据需要擦除该形状的材料。在这里，他们介绍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、破裂或拉伸成固定的、无法使用的形状。然而，通过将这种特殊金属嵌入橡胶中，研究人员将这种典型的失效机制转化为一种强度。当拉伸时，这种复合材料现在可以迅速保持所需的形状，非常适合可以立即承重的软变形材料。

最后，材料必须使结构恢复到原来的形状。在这里，该团队在 LMPA 网格旁边加入了柔软的卷须状加热器。加热器使金属在 60 摄氏度（140 华氏度）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，使复合材料具有研究人员所说的“可逆塑性”。金属冷却后，它再次有助于保持结构的形状。

Edward Barron、Michael Bartlett 和 Dohgyu Hwang 拿着一块已经变形的材料。学分：弗吉尼亚理工大学的 Alex Parrish。

“这些复合材料有一个金属内骨架嵌入到带有软加热器的橡胶中，剪纸风格的切口定义了一系列金属梁。这些切口与材料的独特特性相结合对于变形、快速固定形状非常重要，然后恢复原来的形状，”黄说。

研究人员发现，这种受剪纸启发的复合设计可以创造出复杂的形状，从圆柱体到球体再到辣椒底部的凹凸形状。形状改变也可以快速实现：用球撞击后，形状改变并在不到 1/10 秒的时间内固定到位。此外，如果材料破裂，可以通过熔化和重整金属内骨骼来多次修复。

陆空一架无人机，海上一架

这项技术的应用才刚刚开始展开。通过将这种材料与机载电源、控制和电机相结合，该团队创造了一种功能性无人机，可以自动从地面变形为飞行器。该团队还创造了一艘小型、可展开的潜艇，利用材料的变形和返回，通过沿底部刮下潜艇的腹部，从水族馆中取回物体。

“我们对这种材料为多功能机器人带来的机遇感到兴奋。这些复合材料的强度足以承受来自电机或推进系统的力，但可以很容易地变形，从而使机器能够适应其环境，”巴伦说。

展望未来，研究人员设想变形复合材料在新兴的软机器人领域发挥作用，创造出能够执行多种功能、受损后自我修复以增加弹性的机器，并在人机界面和可穿戴设备方面激发不同的想法.