化工儀器網手機版
移動端訪問更便捷
新型超材料問世：從折紙藝術到“元機器人”的范式革命
2025年04月29日 15:19:36
來源：化工儀器網 點擊量：5201
美國一雜志發(fā)表突破性成果：一種無需電機或齒輪、僅通過電磁場驅動即可實現(xiàn)動態(tài)變形與移動的超材料問世。
在機器人技術與材料科學的交叉領域，美國普林斯頓大學團隊近日于《自然》雜志發(fā)表突破性成果：一種無需電機或齒輪、僅通過電磁場驅動即可實現(xiàn)動態(tài)變形與移動的超材料問世。這項技術通過模仿折紙藝術的幾何原理，首次將材料的功能性與機器人的智能性深度融合，標志著智能材料領域進入“無機械結構”的新紀元。
該超材料的核心創(chuàng)新在于其克雷斯林圖案(Kresling pattern)的模塊化結構。研究團隊以塑料管為基底，內置特定排列的支撐支柱，通過壓縮與扭轉的耦合效應實現(xiàn)能量轉換——當塑料管被壓縮時，其螺旋結構會自發(fā)扭曲，而扭曲過程又進一步驅動壓縮，形成閉環(huán)反饋。這種“壓縮-扭轉”機制借鑒了折紙中的雙穩(wěn)態(tài)折疊原理，即材料在兩種穩(wěn)定形態(tài)間切換時無需持續(xù)能量輸入，僅需初始電磁脈沖即可觸發(fā)。
為構建復雜運動能力，團隊將兩個鏡像對稱的克雷斯林管連接為基本單元，并通過手性不對稱設計(chiral asymmetry)賦予其方向性。當置于交變磁場中時，磁性復合材料層與塑料基體的相互作用導致單元間產生協(xié)同形變，最終實現(xiàn)材料的整體膨脹、收縮、扭轉甚至定向移動。實驗數(shù)據(jù)顯示，僅需0.1特斯拉的弱磁場即可驅動材料完成±90°扭轉，形變幅度達原始尺寸的300%，且響應延遲低于50毫秒。
研究團隊將該超材料命名為“元機器人”(Metabot)，強調其“材料即機器”的屬性。與傳統(tǒng)機器人依賴齒輪、電機等機械結構不同，Metabot的智能行為完全由物理結構與電磁場的交互決定：模塊化可編程性：通過組合不同幾何參數(shù)的克雷斯林單元，可設計出具有特定運動軌跡的Metabot，例如模擬蛇形爬行的波浪式變形或仿生章魚的觸手抓取。非接觸式操控：磁場穿透性使Metabot能在密閉空間(如人體血管或航天器艙體)內遠程作業(yè)，避免傳統(tǒng)機械臂的剛性碰撞風險。能量效率：形變能量存儲于材料內部，回收率高達85%，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)驅動器(通常低于40%)。
在實驗中，團隊展示了Metabot的醫(yī)療應用潛力：通過編程控制其形變路徑，可實現(xiàn)毫米級精度的藥物膠囊推送，并在模擬血管環(huán)境中以0.5mm/s速度自主導航。此外，Metabot的熱響應特性亦令人矚目——在20秒內將表面溫度從27℃提升至70℃，并維持±1℃的穩(wěn)態(tài)波動，為微創(chuàng)手術中的組織消融提供了新工具。
研究團隊已啟動與NASA、強生等機構的合作，計劃在2027年前完成原型驗證。若成功突破產業(yè)化瓶頸，Metabot或將成為第四次工業(yè)革命的“基石材料”，推動“智能物質”時代加速到來。從折紙藝術的古老智慧到超材料的未來科技，Metabot的誕生不僅顛覆了“機器人”的定義，更揭示了材料科學與信息技術的深層融合。
相關閱讀 Related Reading
查看更多+-
日前，按照《貴州省省級科技計劃項目驗收規(guī)則（試行）》（黔科通〔2023〕3號）規(guī)定，現(xiàn)對33項項目驗收結果進行公示，公示時間為5個...2025-07-14 09:21:52
-
今年上半年，中國進出口銀行該行投放對外貿易領域貸款超6100億元，持續(xù)加大對外貿企業(yè)支持力度。2025-07-11 14:44:28
-
日前，北京市科學技術委員會、中關村科技園區(qū)管理委員會聯(lián)合發(fā)布《2025年北京市重點實驗室申報指南》，以加強北京國際科技創(chuàng)新中心建設...2025-07-11 10:33:38
-
近日，廣東省科學技術廳擬對“空地一體化連續(xù)變量量子保密通信示范網絡”等20個項目予以終止?，F(xiàn)公示項目相關情況(見附件)，公示時間為...2025-07-10 10:31:45
-
為維護國家安全和利益，履行防擴散等國際義務，商務部決定將漢翔航空工業(yè)股份有限公司等8家中國臺灣地區(qū)實體列入出口管制管控名單。2025-07-10 09:54:48
-
今年1—6月，我國新批準建立國家標準物質524項，同比增長78.8%，涉及研制單位51家。其中，國家一級標準物質31項，占比5.9...2025-07-09 15:27:33
版權與免責聲明
- ①凡本網注明“來源：化工儀器網”的所有作品，均為浙江興旺寶明通網絡有限公司-化工儀器網合法擁有版權或有權使用的作品，未經本網授權不得轉載、摘編或利用其他方式使用上述作品。已經本網授權使用作品的，應在授權范圍內使用，并注明“來源：化工儀器網”。違反上述聲明者，本網將追究其相關法律責任。
- ②本網轉載并注明自其他來源（非化工儀器網）的作品，目的在于傳遞更多信息，并不代表本網贊同其觀點和對其真實性負責，不承擔此類作品侵權行為的直接責任及連帶責任。其他媒體、網站或個人從本網轉載時，必須保留本網注明的作品第一來源，并自負版權等法律責任。
- ③如涉及作品內容、版權等問題，請在作品發(fā)表之日起一周內與本網聯(lián)系，否則視為放棄相關權利。
