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研究成果:多种属性的新型材料,可用于各类场景

2020-11-25 14:09
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(来源:Science Advances)

“手性”(chiral)体素以扭曲运动响应轴向压缩或拉伸为特点。同样,这也是一个不同寻常的属性。

(来源:Science Advances)

同时,研究人员还可以将它们结合起来,来制造能以可预测方式响应环境刺激的设备。比如,飞机机翼或涡轮叶片,这些设备通过改变其整体形状来响应气压或风速变化。

对此,Gershenfeld 表示,“我们所展示的每一种物质属性以前都应用在各自独立的领域,科学家们也只是基于其中某一个属性进行研究,这是第一次将这么多属性集成在一个系统中。”

更广泛的应用前景

Jenett 表示,这些材料不仅价格低廉、易于制造、组装速度快,而且它们之间还彼此兼容。因此,它们可以同时具备多种不同类型的奇特属性,并且在同一个可扩展、廉价的系统中发挥很好的作用。

这种材料如此特殊的关键在于,由一种这类体素组成的结构会与亚单位本身受应力时表现出的变化方式完全相同。此次研究证明,当研究人员将零件组装在一起时,所有连接地方都“完美”耦合,成为了一个连续的整体。

Jenett 认为,这项技术的早期应用可能是用于制造风力涡轮机的叶片。随着风力涡轮机叶片的结构变得越来越大,将叶片运输到工作现场已经成为一个严重的运输问题,而如果这种叶片由数千个微小的子单元在工作现场组装完成,就可以消除运输问题。

同时,由于叶片尺寸大且缺乏可回收性,废弃涡轮叶片的处理也已经成为一个严重的问题。而由微小体素组成的叶片可以在现场拆卸,然后重新用于制造其他东西。

此外,叶片本身的工作效率也会变得更高,因为它们具备了多种力学特性,可以动态、顺势地响应风的强度变化。

这种新型材料也可以为机器人赋能。如今的机器人要么为刚性机器人,要么为柔性机器人,如果在为机器人赋予多种力学特性,或许机器人将获得更多意想不到的能力。

“如今,我们有了这个低成本且可扩展的系统,我们以设计任何想要的物体,比如四足动物、游泳机器人和飞行机器人,这些物体所需的灵活性,也正是该系统表现出的主要优势之一。” Jnett 补充道。

对于这项研究,斯坦福大学的 Amory Lovins 教授表示,“这项技术可以制造出价格低廉、经久耐用且非常轻便的航空飞行表面,就像鸟类的翅膀一样,可以顺势、持续改变它们的形状;此外,它还可能使汽车的空载质量(empty mass)更接近其有效载荷,因为它们的防撞结构主要为空气;它甚至可以使球形外壳的抗压强度达到一种前所未有的级别,使得天空中漂浮的无氦真空气球抬起的净载荷达到大型喷气式飞机的几十倍。”

相信这种新材料的出现,可以为未来科研与生活赋予无限的可能。


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