摘要：普林斯顿大学的工程师们发明了一种材料，它可以膨胀、变形、移动，并像遥控机器人一样遵循电磁指令，尽管它没有任何马达或内部齿轮。普林斯顿大学的工程师们在一项与《变形金刚》系列电影场景相呼应的研究中，开发出一种能够像遥控机器人一样膨胀、变形、移动并响应电磁指令的材料

普林斯顿大学的工程师们发明了一种材料，它可以膨胀、变形、移动，并像遥控机器人一样遵循电磁指令，尽管它没有任何马达或内部齿轮。 普林斯顿大学的工程师们在一项与《变形金刚》系列电影场景相呼应的研究中，开发出一种能够像遥控机器人一样膨胀、变形、移动并响应电磁指令的材料，即使它没有任何电机或内部齿轮。 “它可以在材料和机器人之间转换，而且可以通过外部磁场进行控制。”普林斯顿大学工程学教授Glaucio Paulino说道。 在最近发表在《自然》杂志上的一项研究中，研究人员解释了他们如何从折纸艺术中汲取灵感，设计出一种连接机器人技术和材料科学的结构。他们最终研发出了一种超材料，这种工程材料的独特性能源于其物理结构而非化学成分。 该团队使用基础塑料和特殊设计的磁性复合材料混合而成。通过施加磁场，他们可以改变材料的结构，使其能够在无须直接接触的情况下向各个方向扩展、移动和弯曲。受折纸启发的超机器人发明 该团队将他们的发明称为“超机器人”（Metabot）——一种可以变形和移动的超材料。 “电磁场同时传输电力和信号。每种行为都非常简单，但当你将它们组合在一起时，行为就会变得非常复杂，”论文作者、普林斯顿大学电气与计算机工程副教授兼安德林格能源与环境中心研究员Minjie Chen说道，“这项研究突破了电力电子学的界限，证明了扭矩可以远程、瞬时且精确地传递到一定距离，从而触发复杂的机器人运动。” “超机器人”是由许多互为镜像的可重构单元组成的模块化组合体。这种镜像关系被称为“手性”，可以实现复杂的行为。Paulino实验室的博士后研究员Tuo Zhao表示，“超机器人”只需轻轻一推就能做出大幅度的扭曲——扭转和收缩。 “这项研究通过控制模块的组装和手性状态，实现了用途极其广泛的机械超材料，”麻省理工学院Xuanhe Zhao教授说道，“模块化手性折纸超材料的多功能性和潜在功能令人印象深刻。”这项研究“为折纸设计和应用开辟了一条全新且令人兴奋的途径”。跨领域应用前景广阔 意大利特伦托大学固体与结构力学教授Davide Bigoni称这项研究具有开创性，并表示它可能“推动软体机器人、航空航天工程、能量吸收和自发性体温调节等多个领域的范式转变”。 为了探索该技术的机器人应用，论文作者Tuo Zhao利用普林斯顿材料研究所的激光光刻机，制造了一个高度为100微米（略高于人类头发丝）的超机器人原型。研究人员表示，类似的机器人未来可以将药物输送到身体的特定部位，或帮助外科医生修复受损的骨骼或组织。 研究人员还利用这种超材料制造了一种温度调节器，其工作原理是在吸光黑色表面和反射黑色表面之间切换。在一项实验中，研究人员将这种超材料暴露在明亮的阳光下，并能够将表面温度从27℃调节到70℃，然后再调节回来。 此外的一种可能的用途是应用于天线、透镜以及处理光波长的设备。Kresling图案与磁控 几何形状是这种新材料的关键。研究人员构建了带有支撑支柱的塑料管，这些支柱的排列方式使得管子在压缩时会扭曲，在扭曲时会压缩。在折纸艺术中，这些管子被称为Kresling图案。研究人员通过将两个镜像的Kresling管在底部连接起来，形成一个长圆柱体，从而创建了他们设计的构建块。因此，圆柱体的一端在朝一个方向扭曲时会折叠，另一端在朝相反方向扭曲时也会折叠。 这种简单的重复管图案使得利用精确设计的磁场可以独立移动管子的每个部分成为可能。磁场会导致Kresling管扭曲、塌陷或弹开，从而产生复杂的行为。 Paulino表示，手性（镜像部分）的一个后果是，这种材料可以违背物理对象中典型的作用和反作用规则。他说：“通常，如果我顺时针旋转一根橡胶梁，然后逆时针旋转，它就会回到起点。”该团队创造了一个简单的超材料机器人，顺时针旋转时会坍塌，逆时针旋转时会重新打开——这是正常现象。然而，如果以相反的顺序旋转——先逆时针旋转，再顺时针旋转——同一个装置就会坍塌，然后进一步坍塌。 Paulino表示，这种不对称行为模拟了一种称为磁滞的现象，即系统对刺激的响应取决于系统内部变化的历史。这类系统在工程、物理和经济学领域很常见，很难用数学方法建模。Paulino表示，这种超材料提供了一种直接模拟这些系统的方法。 这种新材料更远大的用途是设计物理结构，以模拟计算机中晶体管逻辑门的性能。 （逸文）

来源：新浪财经