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

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。

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