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普渡大学利用双稳态制成超材料机械手

大学仕 2020-12-03 11:20

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当你按下喷泉饮料盖上的酒窝圈时，它们要么是凸的，要么是凹的。具有两种稳定状态的材料或结构显示出一种被称为双稳态的概念。普渡大学的一个研究小组已经证明，这些圆顶的图案板将形成一个储能表皮：足够强大，可以执行机械任务，甚至可以像机械计算机一样进行数据存储和处理。

“双稳态是自然界中发现的一个重要概念，”普渡大学机械工程助理教授安德烈·阿瑞塔说，“例如，耳环有双稳态、可折叠的翅膀，它们以极低的能量迅速打开。我们正致力于从这种双稳态中获得灵感，制造可编程结构。”Arrieta的团队从一个简单的结构开始：一块1英寸见方的平板，带有一个弹出式圆顶，由热塑性聚氨酯制成的3D打印。用手指按压，圆顶会突然变成凸面或凹面。当他们把这些圆顶打印成3×3的网格时，他们开始见证新的行为。

“当你把两个靠近另一个的圆顶倒置时，它们开始相互作用，”阿瑞塔说当你开始在一张纸上制作这些圆顶的图案时，这张纸本身就开始整体弯曲。根据不同的穹顶是倒置的，你会得到不同的形状。他们开始试验更大的网格，压制更复杂的图案。通过推动某些圆顶（将其压入或压出），薄板形成圆柱体、星形或马鞍形。“这些单独的双稳态穹顶正在结合形成一种新的超材料，它本身有多种稳定状态，我们称之为分层多稳态。”

你能用等级多稳定性做什么？一个简单的机器人队伍，用两条手爪做示范。当圆顶是凹形的时，夹持臂保持张开。但是，通过施加少量的空气压力使圆顶变凸，夹持臂闭合得足够紧，可以抓住并握住一个小重量。“抓东西很容易，但保持这种抓握需要不断消耗能量，”阿瑞塔说“这对人类和机器都是如此。但有趣的是，当我们翻转使抓取器闭合的穹顶时，我们实际上是在皮肤中储存能量。夹持臂利用这种能量来保持抓地力，而不是需要一些外部能源。从本质上讲，我们将结构本身用作机械电池。”这项工作已经发表在《极端力学快报》和《高级科学》杂志上。

当受到刺激时，这种材料会改变形状，这样机器人爪子就可以抓住物体并抓住它，而不需要外部能源。最终，阿瑞塔希望将这项技术应用于柔性机器人技术。”他说：“很难再创造出一只像人手一样握力的机械手，因为需要大量的马达和传感器。但是，如果我们用这些床单制作皮肤，并在不同的高度打印出单个圆顶，那么只有一组特定的圆顶会在不同的气压下启动。通过编程特定的气压爆发，我们可以激活穹顶矩阵，以最小的能量创造我们所需的多稳态抓握状态。”

除了改变高度属性外，Arrieta的团队还发现，以不同的顺序驱动圆顶会产生完全不同的形状。有了这三个属性，高度、位置和顺序，即使是很小的圆顶网格也能产生大量可能的结果。这将Arrieta带到下一步：机械计算。

“仔细想想，这些上下起伏的穹顶非常像计算机数据的1和0，”阿瑞塔说我们可以想象这样的“编程”一张纸，方法是按一定的顺序在特定位置按圆顶，然后根据板材的形状机械地“读取”数据。这可以在没有电源或任何类型的中央处理器的情况下完成。通过这种方式，未来的机器将更像动物，它们利用机械感应和处理来更快地作出反应。
虽然大量的数学和计算机模拟都有助于这项研究，但简单地拿着有图案的圆顶板就成了一种强大的、奇怪的令人满意的调查工具。”阿瑞塔说：“直到我们开始玩它，我们才真正理解它有多有趣。说到这些穹顶，整体肯定大于各部分的总和。”
（文章来源于贤集网）

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