像蚱蜢一样的材料被设计成可以跳跃200倍于自身厚度

材料科学洞见

• 一种新型橡胶类材料可以帮助制造出“软体机器人”，这种机器人可以在不使用齿轮或其他硬部件的情况下运动。
• 这种不寻常的行为是由一类叫做液晶弹性体的材料产生的。
• 这种材料可以在6毫秒内跃至其自身厚度的近200倍的高度。

---

科罗拉多大学博尔德分校的工程师们设计了一种新型的橡胶状薄膜，它可以像蚱蜢一样腾空而起——完全靠自己，不需要外界干预。把它加热，看它跳起来!

研究人员在1月18日的《科学进展》杂志上描述了他们的成就。他们说，有一天类似的材料可以帮助体现“软体机器人”(那些不需要齿轮或其他硬部件来移动的机器人)来跳跃或抬起。

该研究的合著者蒂莫西·怀特说，这种物质系统的反应有点像蚱蜢跳跃时在腿上储存和释放能量。

“在自然界中，很多适应性，比如蚱蜢的腿，利用了储存的能量，比如弹性不稳定性，”科罗拉多大学博尔德分校化学和生物工程的Gallogly教授怀特说。“我们正在尝试创造能模仿这些自然特性的合成材料。”

这项新研究利用了一类被称为液晶弹性体的材料的不寻常行为。这些材料是在笔记本电脑或电视显示器中发现的液晶的固体和有弹性的聚合物版本。

在这项研究中，研究小组制造了大约隐形眼镜大小的液晶弹性体小晶片，然后将它们放在热板上。当这些薄膜加热时，它们开始弯曲，形成一个上升的圆锥体，直到突然爆炸，它在短短6毫秒内翻转到接近自身厚度200倍的高度。

该研究的主要作者泰勒·赫伯纳(Tayler Hebner)说:“这为聚合物材料以新的方式应用于软机器人等应用提供了机会，我们经常需要获得这些高速、高强度的驱动机制。”她于2022年在科罗拉多大学博尔德分校获得化学和生物工程博士学位。

偶然的发现

赫伯纳现在是俄勒冈大学的博士后研究员，她和她的同事几乎是偶然地发现了这种跳跃行为。

她正在试验设计不同种类的液晶弹性体，以观察它们在温度变化下如何改变形状。White实验室的高级研究员Joselle McCracken和她一起观察。

“我们只是看着液晶弹性体坐在热板上，想知道为什么它没有做出我们期望的形状。它突然从测试台上跳到了台面上，”赫伯纳说。“我们都看着对方，有点困惑，但也很兴奋。”

在仔细的实验和加州理工学院合作者的帮助下，研究小组发现了是什么让他们的材料能够跳高。

White解释说，每一层薄膜都由三层弹性体组成。他说，这些层在受热时会收缩，但上面两层比下面一层收缩得更快。这种不协调，加上液晶分子在层内的方向，导致薄膜收缩并形成一个锥形。这有点像涂过漆的乙烯基壁板在阳光下会变形。

随着锥体的形成，张力在薄膜中不断累积，直到，突然啪!锥体翻转，拍打表面，把材料敲起来。同样的薄膜也可以跳几次而不磨损。

怀特说:“当这种反转发生时，材料就会穿透，就像孩子的玩具一样，它会从表面跃出。”

跳跃前进

然而，与那些弹性体不同的是，该团队的液晶弹性体是多功能的。研究人员可以调整他们的薄膜，使它们在冷的时候跳，而不是热的时候。它们还可以让电影向特定的方向跳跃。

大多数机器人可能无法使用这种弹出效果来让它们的部件移动。但怀特说，该项目展示了类似材料的能力——储存大量的弹性能量，然后一次性释放。赫伯纳说，这个项目给实验室带来了一些乐趣。

她说:“这是一个强有力的例子，说明我们研究的基本概念如何转化为设计，以复杂而令人惊叹的方式表现出来。”

-内容经理大卫·米勒编辑，控制工程， CFE媒体与技术，dmiller@cfemedia.com．

您是否具有本内容中提到的主题的经验和专业知识?你应该考虑为我们的CFE媒体编辑团队做出贡献，并获得你和你的公司应得的认可。点击在这里开始这个过程。