北京
在概念驗證測試中，僅配置了10個內(nèi)部鱗片的模塊就能承受約10牛頓的擠壓力。
大自然花了數(shù)百萬年時間完善了犰狳這種身披盔甲的哺乳動物。材料科學(xué)家們剛剛在實驗室里用3D打印機、銀納米線和重型紙復(fù)刻了它的外殼。
北卡羅來納州立大學(xué)的團隊打造了一款“機器犰狳皮膚”，正式名稱為形態(tài)互鎖防護模塊（MIPM）。有趣的是，它能感知危險，并瞬間卷曲成一個堅硬的防護殼。
這是一款動態(tài)的盔甲，旨在保護下一代脆弱的技術(shù)設(shè)備，尤其是軟體機器。
“軟體機器人和柔性電子領(lǐng)域已經(jīng)取得了長足的發(fā)展，但這些設(shè)備往往也很脆弱，”該校機械與航空航天工程系安德魯·A·亞當(dāng)斯杰出教授朱勇表示。
“我們的目標是開發(fā)一種解決方案，讓這些脆弱的技術(shù)能夠正常工作，同時在必要時為其提供保護，”這位通訊作者補充道。
為卷曲而設(shè)計
這項新型防護技術(shù)的巧妙之處在于其多層設(shè)計。
該模塊結(jié)構(gòu)采用三層設(shè)計，可實現(xiàn)從柔性到剛性的轉(zhuǎn)變。其外骨骼由3D打印的樹脂鱗片構(gòu)成，而內(nèi)骨骼則利用折疊的紙脊來容納互鎖的聚合物鱗片。
中間層是傳感與驅(qū)動層，由嵌有銀納米線的彈性聚合物應(yīng)變傳感器、導(dǎo)電織物加熱器、液晶彈性體和Kapton膠帶組成。
當(dāng)集成的應(yīng)變傳感器檢測到威脅時——無論是輕柔的擠壓還是突然的沖擊——它就會向控制單元發(fā)出信號，為內(nèi)部的加熱層供電。
這種熱量引發(fā)了一場分子層面的拔河比賽。一邊是液晶彈性體收縮，另一邊是Kapton膠帶層膨脹。這種同步運動迫使整個結(jié)構(gòu)向內(nèi)卷曲，將自己包裹成一個保護圈，3D打印的樹脂鱗片朝外。
但單純的卷曲并不足以抵御猛烈沖擊。在模塊彎曲時，連接在折疊紙內(nèi)骨骼上的一系列剛性聚合物鱗片緊密地互鎖在一起。這種互鎖機制將柔軟可彎的材料轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€能吸收沖擊力的高剛性內(nèi)部骨架。
守護下一代技術(shù)
在測試中，該系統(tǒng)能檢測到應(yīng)變，并觸發(fā)其轉(zhuǎn)變?yōu)榉雷o殼。此外，團隊發(fā)現(xiàn)增加內(nèi)骨骼中分段鱗片的數(shù)量能提升結(jié)構(gòu)整體的剛度和強度。
“通過力學(xué)引導(dǎo)的設(shè)計，我們在內(nèi)骨骼分段和結(jié)構(gòu)輕量化之間建立了一種權(quán)衡，”朱勇說，“例如，10個分段鱗片就能承受大約10牛頓的力?！?/p>
該系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)以應(yīng)對不同程度的威脅。此外，研究人員還在鱗片使用數(shù)量與設(shè)備重量之間建立了一種精確的數(shù)學(xué)指導(dǎo)權(quán)衡，從而可以根據(jù)承載需求來定制裝甲。
“我們可以看到這項技術(shù)被用來保護許多類型的物體——基本上任何它能夠彎曲包裹住的東西都可以，”論文第一作者、北卡羅來納州立大學(xué)博士后研究員周建宇指出。
從在狹窄巖石縫隙中穿行的搜救無人機，到植入活動關(guān)節(jié)的柔性醫(yī)療設(shè)備，其潛在應(yīng)用范圍十分廣泛。
北卡羅來納州立大學(xué)的團隊目前正在積極尋找商業(yè)合作伙伴，以將他們的機器犰狳從實驗臺推向現(xiàn)實世界。
這項研究成果于5月27日發(fā)表在《科學(xué)進展》期刊上。
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