科学家开发新型无人机 利用液态金属从地面车辆“变形”为飞行器

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想象一下一种小型的自主车辆可以在陆地上行驶，停下来，却突然压扁变成一架四旋翼无人机的场景。旋翼开始旋转后，无人机就飞走了。更仔细地观察它，你认为你会看到什么？是什么机制使它从一个陆地交通工具变成了一个飞行的四旋翼无人机？你可能会想象到齿轮等部件，也许是一系列微小的伺服电机，将它的所有部件拉到合适的位置。这种机制是由机械工程系副教授 Michael Bartlet领导的弗吉尼亚理工大学的一个团队设计的，他们提出了一种在材料层面改变形状的新方法。

这些研究人员利用橡胶、金属和温度对材料进行变形，并在没有电机或滑轮的情况下将它们固定到位。该团队的工作已经发表在《科学机器人》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A.B. M. Tahidul Haque。

自然界有很多改变形状以执行不同功能的生物。章鱼戏剧性地改变形状以移动、进食和与环境互动；人类弯曲肌肉以支持负荷和保持形状；植物移动以捕获全天的阳光。但如何创造一种能够实现这些功能的材料，以实现新型的多功能、变形机器人？

Bartlet说：“当我们开始这个项目时，我们希望有一种材料能做三件事：改变形状，保持这种形状，然后返回到原来的配置，并在许多周期内做到这一点。其中一个挑战是创造一种材料，它足够柔软，可以极大地改变形状，但又足够坚硬，以创造出可以执行不同功能的适应性机器。”

为了创造一个可以变形的结构，该团队转向了kirigami，这是一种通过切割用纸制作形状的日本艺术。(这种方法与折纸不同，折纸使用的是折叠。)通过观察橡胶和复合材料中那些kirigami图案的强度，该团队能够创建一个重复几何图案的材料架构。

接下来，他们需要一种既能保持形状又能根据需要消除形状的材料。在这里，他们引入了一种由低熔点合金（LMPA）制成的内骨架，嵌入橡胶皮内。通常情况下，当一种金属被拉得太长时，金属会永久地弯曲、破裂或被拉成一个固定的、无法使用的形状。然而，有了这种嵌入橡胶的特殊金属，研究人员将这种典型的失败机制变成了一种力量。当被拉伸时，这种复合材料现在会迅速保持所需的形状，对于可以立即成为承重的软性变形材料来说是完美的。

最后，该材料必须将结构恢复到其原始形状。在这里，研究小组在LMPA网旁边加入了柔软的、类似卷须的加热器。这些加热器使金属在60摄氏度（140华氏度），或铝的熔化温度的10%，转化为液体。弹性体表皮使熔化的金属保持在适当的位置，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。

“这些复合材料有一个金属内骨架嵌入到带有软性加热器的橡胶中，其中受kirigami启发的切口定义了一个金属梁的阵列。”Hwang说：“这些切割与材料的独特属性相结合，对于变形、迅速固定成形状，然后恢复到原来的形状，真的很重要。”

研究人员发现，这种受kirigami启发的复合材料设计可以创造出复杂的形状，从圆柱体到球到辣椒底部的凹凸形状。形状的改变也可以快速实现。在与球撞击后，形状在不到0.1秒的时间内改变并固定到位。另外，如果材料断裂，可以通过熔化和改造金属内骨骼来多次愈合。

这项技术的应用才刚刚开始。通过将这种材料与机载动力、控制和电机相结合，该团队创造了一种功能性的无人机，可以自主地从地面到空中飞行。该团队还创造了一个小型的、可部署的潜艇，利用材料的变形和返回，通过沿底部刮动潜艇的腹部，从水族箱中捞出物体。

“我们对这种材料为多功能机器人带来的机会感到兴奋。”Barron说：“这些复合材料的强度足以承受来自马达或推进系统的力量，但又能轻易地进行形状变形，这使得机器能够适应它们的环境。”

展望未来，研究人员设想变形复合材料将在新兴的软体机器人领域发挥作用，创造出能够执行不同功能的机器，在受损后自我修复以提高复原力，并刺激人机界面和可穿戴设备的不同想法。