出品:科普中國(guó)
作者:可可(材料設(shè)計(jì)師)
(相關(guān)資料圖)
電影《終結(jié)者2》上映后,其中的頭號(hào)反派液態(tài)金屬機(jī)器人T1000,給世人留下了非常深刻的印象。在電影中,T1000不僅擁有鋼筋鐵骨,還能隨意改變身體形狀,甚至化為一灘液體后還能重新凝聚成原來(lái)的形態(tài)。
如今,這一曾經(jīng)天馬行空的幻想正在逐步變成現(xiàn)實(shí),來(lái)自中山大學(xué)、浙江大學(xué)以及美國(guó)卡耐基梅隆大學(xué)的研究小組于1月25日公布了最新的研究成果,他們利用一種叫做磁活性相變物質(zhì)(MPTM)的材料,制成了可以在固體和液體之間轉(zhuǎn)換形態(tài),并可在一定程度上受磁力控制的機(jī)器人雛形。
在公開(kāi)的動(dòng)畫(huà)中,研究團(tuán)隊(duì)用穿越牢籠的橋段致敬了《終結(jié)者2》中的名場(chǎng)面,同時(shí)向人們展示了MPTM材料的神奇特性,快來(lái)看看是怎么回事吧。
終結(jié)者2海報(bào)
圖片來(lái)源:維基百科
為什么材料很難擁有“剛?cè)岵?jì)”的特點(diǎn)
常識(shí)告訴我們,剛性和自如的變形能力無(wú)法同時(shí)共存。的確,對(duì)于現(xiàn)有的材料,二者很難同時(shí)具備。比如,金屬一類具有堅(jiān)硬外觀的材料,往往熔點(diǎn)非常高。在高溫下雖然能夠熔化為自由流動(dòng)的液態(tài),但一方面加熱熔化需要耗費(fèi)相當(dāng)大的能量和時(shí)間,另一方面高溫的熔融金屬也只能待在特制的耐熱坩堝里,除了進(jìn)行金屬的鑄造,沒(méi)有其他的應(yīng)用價(jià)值。
也就是說(shuō),傳統(tǒng)材料想要像T1000一樣真正實(shí)現(xiàn)“剛?cè)岵?jì)”,基本不可能。
不過(guò)呢,其實(shí)目前確實(shí)有一些材料,在保有高度柔軟性的同時(shí)具有一定程度的剛性。例如D3O這種近年來(lái)非?;鸬牟牧?,雖然外觀看起來(lái)像橡皮泥一樣柔軟,可以任意塑造形狀,但在受到瞬間的沖擊時(shí)(例如錘擊),又可以變得非常堅(jiān)硬。
D3O實(shí)際上利用了剪切增稠效應(yīng),有些流體在受到剪切力(例如錘擊)的時(shí)候,粘稠度會(huì)忽然增加。好比看起來(lái)像是橡皮泥,猛然砸下去反而卻像砸在了一大塊碳纖維上。
D3O制成的防護(hù)手套
作者:HecltoTrmel2020
圖片來(lái)源:維基百科
自然界中也不乏具有類似特性的物種,例如常見(jiàn)的海洋生物海參,雖然身體柔軟,但實(shí)際上海參可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)身體的硬度。其背后的原理是改變組成其身體的原纖維間基質(zhì)的硬度,從而讓原本柔軟的身軀具備一定的承載能力,防止各種環(huán)境因素對(duì)其身體造成傷害。
具有柔軟身體的海參
作者:Fran?ois Michonneau 圖片來(lái)源:維基百科
之前的此類材料(當(dāng)然也包括海參的身體結(jié)構(gòu)),存在一個(gè)致命的問(wèn)題,就是他們無(wú)法像鋁合金或者鋼鐵一類的結(jié)構(gòu)材料那樣,可以維持剛性狀態(tài)下的形狀,更無(wú)法抵御一般的結(jié)構(gòu)材料所能承受的拉伸、剪切以及扭轉(zhuǎn)等各種力學(xué)載荷。
不過(guò),完成本次研究的團(tuán)隊(duì)卻制成了一種可以很容易轉(zhuǎn)換剛?cè)醿煞N狀態(tài),還能在剛性狀態(tài)下?lián)碛薪饘僖话銉?yōu)秀機(jī)械強(qiáng)度的材料,這就是MPTM。據(jù)介紹,MPTM的發(fā)明過(guò)程中,來(lái)自海參的靈感發(fā)揮了關(guān)鍵作用。
MPTM的剛?cè)徂D(zhuǎn)換機(jī)理 圖片來(lái)源:參考文獻(xiàn)1
MPTM牛在哪里?
MPTM是一種以金屬鎵和磁性顆粒構(gòu)成的復(fù)合材料。鎵是一種低熔點(diǎn)金屬,它在29.8℃下就可以熔化,所以在正常的室溫(25℃)狀態(tài)下是金屬,但溫度稍微升高(例如在人的手心的溫度下),就會(huì)變?yōu)橐后w。
在這種特殊性質(zhì)的基礎(chǔ)上,科研人員們巧妙地利用了交變磁場(chǎng)對(duì)MPTM中磁性顆粒的產(chǎn)熱效應(yīng),僅僅依靠控制磁場(chǎng)就能讓MPTM材料的溫度升高到鎵的熔點(diǎn)之上,從而變?yōu)橐簯B(tài)。之后,一旦自然冷卻,MPTM又會(huì)變?yōu)樾誀铑愃平饘俚墓腆w。
兩種狀態(tài)下的MPTM示意圖圖片來(lái)源:參考文獻(xiàn)1
固體下的MPTM,擁有和鎵金屬類似的機(jī)械特性,機(jī)械強(qiáng)度能夠達(dá)到21MPa,可以承受超過(guò)自身重量30倍的物體。雖然跟一般的結(jié)構(gòu)材料相比,還有些脆弱,但作為一般的固體材質(zhì)已經(jīng)完全具備了實(shí)用意義。最絕的是,由于磁性顆粒的存在,無(wú)論是液體狀態(tài)還是固體狀態(tài)下,MPTM都能受到磁場(chǎng)的控制,可以利用磁場(chǎng)來(lái)對(duì)其進(jìn)行移動(dòng)。
在演示視頻中,一個(gè)被困在籠子里的MPTM小人經(jīng)歷一次液化后,從籠子中“逃”了出來(lái),然后又再次恢復(fù)到原來(lái)的形狀,還上演了一出原地“暴起”,簡(jiǎn)直就是T1000本尊。不過(guò),必須要指出的是,實(shí)際上在籠子下方是一個(gè)小人形狀的模具,液化后的MPTM進(jìn)入模具,冷卻后重新被鑄造成了小人形狀。即便如此,MPTM仍然達(dá)到了前所未有的高度。
動(dòng)圖1 小機(jī)器人的液化“越獄”過(guò)程 圖片來(lái)源:參考文獻(xiàn)1
動(dòng)圖2 小機(jī)器人冷卻后恢復(fù)原形,注意籠子下面的模具 圖片來(lái)源:參考文獻(xiàn)1
研究小組同時(shí)也提供了一系列潛在的應(yīng)用場(chǎng)景,例如可以讓MPTM以固態(tài)形式進(jìn)入身體內(nèi)部,然后在磁力作用下液化的同時(shí)包裹誤吞的異物,再通過(guò)磁場(chǎng)控制凝固,并引導(dǎo)攜帶異物的MPTM離開(kāi)人體。此外,在有限的空間內(nèi)組裝電路和部件以及流入螺絲孔固定物體等幾個(gè)演示也令人印象深刻。
動(dòng)圖3 MPTM排除身體內(nèi)異物的演示視頻 圖片來(lái)源:參考文獻(xiàn)1
動(dòng)圖4 MPTM小機(jī)器人成功連接電路 圖片來(lái)源:參考文獻(xiàn)1
本次中美科學(xué)家提出的MPTM材料,在變形、恢復(fù)以及受控能力等幾個(gè)方面,都取得了液體機(jī)器人研究領(lǐng)域的新突破。雖然在精準(zhǔn)控制等方面,仍然達(dá)不到實(shí)用級(jí)別,且完全恢復(fù)到液化前的形態(tài)也只能依靠小小的“心機(jī)”才能實(shí)現(xiàn)。但科幻電影中的天馬行空走進(jìn)現(xiàn)實(shí),仍然是值得我們興奮的,你是否也對(duì)此感到期待呢?
參考文獻(xiàn):
1.Magnetoactive liquid-solid phase transitional matterhttps://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(22)00693-2
2.機(jī)器人液化越獄:中國(guó)團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)終結(jié)者幻想,靈感竟來(lái)自海參https://m.thepaper.cn/newsDetail_forward_21690166
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