一个国际科学家团队创造了一种液体超材料,或称“超流体”,可以通过操纵来改变其特性,比如粘度和透明度。
这种材料的创造者发现,它在正常状态下表现得像牛顿液体——当它的粘度仅与温度成正比时——但在压缩时就像一种剪切变薄的非牛顿液体,这表明了从机器人到减震器的一系列可能的应用
虽然大多数超材料都是具有理想特性的人工结构固体——比如像光一样的电磁辐射的定向流动——但实验中的元流体旨在将其中一些特性以液体形式引入其中。
这种新型元流体由数十万个平均直径为250μm的球形弹性壳组成,由硅橡胶制成,并充满悬浮在硅油中的空气。在正常情况下,壳保持其球形并散射光线,使元流体不透明。但是,当这种流体被压缩到临界压力以上时(这个压力可以在制造过程中定制),壳就会坍缩成半月形。然后,这种元流体以一种非牛顿的方式发挥作用,它的粘度随着流动而降低,并且在光线下变得透明,坍塌的外壳就像微小的透镜。当压力下降时,贝壳恢复其球形。
资深作者、哈佛大学应用力学教授卡蒂亚·贝托尔迪(Katia Bertoldi)说,这种制造元流体的方法有很多可能性。她说:“可折叠壳为流体引入了有趣的行为,这可能会扩展它们的功能,并导致与状态相关的特性。”
为了测试他们的方法的有效性,研究人员在机器人液压抓取器中使用了一种含有两种可折叠壳的元流体,一种壳在60kPa左右坍塌,另一种在350kPa左右坍塌。然后,他们用这个抓手抓住不同大小和抗压强度的物体。
使用空气或水的传统液压系统需要某种外部传感或控制装置来调整其抓地力,以握住不同的物体而不破坏它们。但是,使用这种流体的机器人抓取器能够在没有任何额外传感或控制的情况下抓取一个沉重的玻璃瓶、一个鸡蛋和一个蓝莓:相反,这种流体本身会对所需的不同压力做出反应。
研究人员写道,未来的研究将集中在元流体的热力学和声学变化上,从而“增强热力学循环和可定制的声音传播”。他们补充说:“这些元流体的多功能性为功能提供了许多机会。”
在阿姆斯特丹大学研究软物质和超材料的物理学家Corentin Coulais没有参与这项新研究,他说,一些早期的研究已经考虑过在机器人中使用这种超流体的前景,但“这项研究将这个话题推进得更远”。
他指出,元流体不仅需要由悬浮球体组成,还需要由其他类型的悬浮液以及完全不同的物质组成。但他说,瓶颈总是在制造这些东西的过程中。“这基本上限制了你的能力和想象。”
物理学家Anton Souslov在剑桥大学研究软材料和机械超材料,但他也没有参与其中,他说这个想法“特别有趣”。他说:“流体流动在我们周围无处不在,而这项工作表明,当底层流体由元原子组成时,可以实现丰富的新型流动现象。”



