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MIT开发微型多性能“积木”基块 可用于汽车

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58京牌 ,麻省理工学院比特与原子中心(MIT’s Center for Bits and Atoms)的研究人员创建了一种类似“积木”的微型构建基块,使其具有多种独特的机械性能,比如被挤压时能够产生扭曲运动。通过微型机器人,几乎可以将这些子单元组装成具有内置功能的任意物体,包括车辆、大型工业零部件或以不同形式反复组装的专用机器人。

(图片来源:MIT) 

研究人员开发出四种不同类型的子单元,称为体素(2D图像像素的3D变体)。每种体素都表现出典型自然材料所不具备的特性,可以将它们结合在一起用来制造设备,以可预测的方式对环境刺激作出反应,例如用来制造飞机机翼或涡轮叶片,通过改变整体形状来应对气压或风速变化。 

参与此项研究的主要包括该校的Benjamin Jenett博士、Neil Gershenfeld教授和其他四人。他们表示,这一发现详细描述了一系列离散的“机械超材料”的形成过程。超材料之所以得名,是因为其大尺度特性不同于组成材料的微观特性。这种材料可应用于电磁学领域,并用作“结构”材料,从微观结构层面进行设计。然而,Gershenfeld表示:“在开发超材料的宏观机械性能方面,还有很多工作要做。” 

Gershenfeld指出,工程师们可以通过这种方法,构建具有不同材料性质的结构,并利用同样的工艺来进行生产和组装。体素由注塑聚合物的扁平框架组装而成,然后可以组合成三维形状,并被整合至更大的功能结构中。由于大多呈开放空间,这些材料可以在组装时提供极其轻便但坚硬的框架。除了基本刚性单元体素提供的特殊强度和重量组合,还有三种性能不同的变体: 

“伸展型”体素(”auxetic” voxels)具有独特的性质,即立方体材料在被压缩时不是从两边凸出,而是向内凸起。这是首次展示通过传统和廉价的制造方法来生产这种材料。 

还有一些泊松比(横向变形系数)为零的“顺应性”体素(”compliant” voxels),在压缩时不会出现侧面变形。以往的已知材料很少表现出这种特性。 

最后,“手性”体素(”chiral” voxels)在受到轴向压缩或拉伸时会出现扭曲反应。这也是一种不同寻常的特性。去年,研究人员通过复杂的制造技术生产出一种类似材料。现在,通过这项研究,可以很容易地从宏观层面实现材料性能。 

Gershenfeld表示:“我们展示的每一种材料性质以前都是单独呈现的。这是第一次可以通过单一体系获得所有材料性质。” 

为了展示利用这些量产体素以类似乐高的方式构建大型物体的潜力,该团队与丰田的工程师合作,生产了一款功能性超级里程赛车,并在今年举行的一次国际机器人会议上进行展示。Jenett称,他们只需一个月便可组装出该类轻型、高性能结构。而此前利用传统玻璃纤维建造方法来构建类似结构,需要一年的时间。 

在展示过程中,街道被雨水淋湿,赛车撞上了障碍物。出人所料的是,这辆车的格子状内部结构发生变形并反弹回来,几乎未产生损坏。Jenett表示,如果这是一辆由金属制成的传统汽车,很可能会产生严重凹陷;如果是复合材料,则可能会破碎。 由此可以看出,这些微小部件确实可以用来制造接近人体大小的功能设备。Gershenfeld指出,在这一汽车结构中,这些部件没有与其他部件相连,除了发动机和电源,“整个汽车都是由这些部件组成的。” 

体素在大小和成分上是一致的,而且可以任何必要形式组合在一起,为最终设备提供不同功能。Gershenfeld表示:“我们可以实现一系列以前被认为是非常特殊的材料性能,关键是你不必局限于一种性能。与我们的早期工作相比,最大的变化在于这种跨越多种机械材料特性的能力。在此之前,人们一直认为这是孤立的。” 

Jenett表示:“这些部件成本低廉,易于生产,组装速度也很快,你可以通过一个体系获得所有性能。它们能够彼此兼容,保有各种独特的属性,又可以在同一可扩展低成本系统中很好地相互作用。” 

研究人员总结:“想想汽车、机器人、船只和飞机上所有的刚性部件和活动件,我们都可以利用这一体系来构建。关键在于由某种体素组成的结构与子单元本身的行为方式完全相同。当把这些部件组装在一起时,接合处会明显消失,表现为一个连续的、整体性材料。”总的来说,“利用这一低成本、可扩展系统,我们可以设计我们想要的任何东西。灵活性是该系统的主要优势之一。”

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