科學(xué)家研發(fā)全新磁控變形材料不用觸碰也能移動(dòng)物體

當(dāng)我們想要移動(dòng)物體時(shí)，通常會(huì)用手或機(jī)械臂去抓取。但如果是液滴這樣的易碎品，或者處在狹小空間里的物品呢？

近日，美國(guó)北卡羅來(lái)納州立大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)研制了一個(gè)新的解決方案。他們開(kāi)發(fā)出一種能隨磁場(chǎng)變形的新型超材料，無(wú)需直接接觸就能操控物體，不僅打破了傳統(tǒng)抓取方式的局限，更為精密操控領(lǐng)域帶來(lái)了全新的可能性。

“我們面臨著兩個(gè)主要挑戰(zhàn)?！毖芯咳藛T解釋說(shuō)，“首先是如何移動(dòng)那些無(wú)法用夾持器抓取的物體，比如易碎品或在密閉空間中的物品。其次是如何利用磁場(chǎng)來(lái)遠(yuǎn)程抓取和移動(dòng)非磁性物體?！睘榱藨?yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)將磁場(chǎng)控制與日本剪紙藝術(shù)“kirigami”的原理相結(jié)合，借此開(kāi)發(fā)出一種超材料薄片，這種薄片由彈性聚合物制成，內(nèi)部嵌入了磁性微粒，并在表面精心設(shè)計(jì)了特殊的切割圖案。該論文的主要作者、現(xiàn)任美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)博士后研究員池印丁指出：“切紙?jiān)O(shè)計(jì)對(duì)這種超材料薄片至關(guān)重要，因?yàn)樗诓粻奚牧媳旧韯偠鹊那疤嵯?，提高了材料的柔韌性。這使我們能夠在不損失機(jī)械強(qiáng)度的情況下，顯著增強(qiáng)材料的變形能力?！?/p>

在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，研究團(tuán)隊(duì)面臨著一個(gè)看似矛盾的問(wèn)題：如何讓材料既容易變形又足夠堅(jiān)固以承載重物？團(tuán)隊(duì)通過(guò)使用磁性彈性體、切紙（原理）、氣球和磁鐵的獨(dú)特組合最終找到了答案。他們首先制作了直徑5毫米、厚度265微米的磁性彈性體圓盤(pán)，將其置于可充氣膜上，像氣球一樣充氣使其形成圓頂形狀，然后進(jìn)行磁化處理，最后恢復(fù)到原來(lái)的平坦?fàn)顟B(tài)。

這種創(chuàng)新設(shè)計(jì)讓研究人員可以通過(guò)控制磁場(chǎng)的方向，使薄片表面產(chǎn)生類(lèi)似海浪般的起伏運(yùn)動(dòng)。而通過(guò)調(diào)節(jié)磁場(chǎng)強(qiáng)度，則可以精確控制“波浪”的高度。研究人員表示：“通過(guò)控制超材料薄片表面的運(yùn)動(dòng)，我們可以移動(dòng)各種類(lèi)型的物體，無(wú)論是液滴還是平板玻璃。這種操控方式的精確性和適應(yīng)性讓人印象深刻?！?/p>

在深入研究過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)了一些意想不到的特性。最初的圓盤(pán)在磁場(chǎng)作用下只能隆起略高于1毫米，而且材料的相對(duì)較低剛度限制了其承重能力。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究人員使用激光切割機(jī)在圓盤(pán)上制作了類(lèi)似切紙藝術(shù)的圖案。這個(gè)改進(jìn)帶來(lái)了驚人的效果，帶有正交切割的圓盤(pán)在磁場(chǎng)作用下能夠達(dá)到4毫米的隆起高度，這比沒(méi)有切割的圓盤(pán)高出一倍多。

更令人驚喜的是，這種設(shè)計(jì)不僅沒(méi)有降低材料的承重能力，反而在磁場(chǎng)作用下使其剛度提高了1.8倍。

理論上，引入切割應(yīng)該會(huì)顯著降低材料的楊氏模量（衡量材料在應(yīng)力下的剛性程度的指標(biāo)），使圓頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)剛度降低80%。但實(shí)際效果卻截然相反，這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)計(jì)算公式?jīng)]有考慮到磁場(chǎng)的影響。

當(dāng)切割的長(zhǎng)寬比為6時(shí)，材料對(duì)磁場(chǎng)的響應(yīng)性顯著提升，進(jìn)而增強(qiáng)了磁場(chǎng)誘導(dǎo)剛化效應(yīng)。

實(shí)驗(yàn)證明，這種帶切割的圓頂能夠?qū)⒅剡_(dá)43.1克（相當(dāng)于自身重量28倍）的物體提升到2.5毫米的高度并穩(wěn)定保持。為了展示這項(xiàng)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用潛力，研究團(tuán)隊(duì)制作了一個(gè)5×5的圓頂陣列，通過(guò)底部可移動(dòng)的永磁體支柱進(jìn)行控制。

這個(gè)系統(tǒng)能夠精確地移動(dòng)水滴、薯片、樹(shù)葉，甚至小木板，還能轉(zhuǎn)動(dòng)培養(yǎng)皿。更令人興奮的是，其表面對(duì)磁場(chǎng)變化的響應(yīng)時(shí)間不到2毫秒，這一速度甚至可以與游戲顯示器相媲美。

這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用前景十分廣闊。在實(shí)驗(yàn)室，它可以用于精確輸送和混合微量液體，這對(duì)于生物醫(yī)學(xué)研究和化學(xué)實(shí)驗(yàn)具有重要意義。在虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域，其快速響應(yīng)的特性使其有望用于觸覺(jué)反饋控制器．模擬不同物體的觸感和質(zhì)地。

研究人員表示：“雖然我對(duì)觸覺(jué)技術(shù)還比較陌生，但考慮到我們可以通過(guò)調(diào)節(jié)磁場(chǎng)來(lái)改變表面的剛度，這應(yīng)該能夠幫助我們重現(xiàn)不同的觸覺(jué)感知?！?/p>

目前，研究團(tuán)隊(duì)正致力于解決最后一個(gè)技術(shù)難題：如何提高分辨率。如果將每個(gè)圓頂比作顯示器的一個(gè)像素，目前的分辨率還相對(duì)較低。

研究人員表示，通過(guò)先進(jìn)的制造技術(shù)，有望將圓頂?shù)闹睆娇s小到約10微米。不過(guò)，在如此小的尺度下實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)是一個(gè)挑戰(zhàn)。

除了繼續(xù)研究小型化，研究團(tuán)隊(duì)還在探索這項(xiàng)技術(shù)在游戲和輔助設(shè)備等領(lǐng)域的應(yīng)用。

這項(xiàng)創(chuàng)新不僅展示了材料科學(xué)的最新進(jìn)展，也為未來(lái)的精密操控和人機(jī)交互開(kāi)辟了新的可能性。它證明，有時(shí)候最優(yōu)雅的解決方案不是讓抓握更加有力，而是更聰明地思考如何完全避免接觸。（綜合整理報(bào)道）（策劃／多洛米）