軟物質(zhì)材料，如橡膠或聚合物，可以承受其形狀的劇烈變化，在靈活性和變形能力至關(guān)重要的應(yīng)用中很有希望。例如，這些材料可以用來制造適合于專門任務(wù)的軟機(jī)器人，從可以在體內(nèi)導(dǎo)航的醫(yī)療設(shè)備，到可以擠過小開口執(zhí)行搜救任務(wù)的機(jī)器人。

但為了給軟機(jī)器人的運(yùn)動或變形提供動力，研究人員經(jīng)常使用需要物理連接到機(jī)器人上的致動器，這限制了它的實(shí)用性。

威斯康星大學(xué)麥迪遜分校機(jī)械工程教授斯蒂芬·魯?shù)峡苏f：這些致動器通常比機(jī)器人本身大得多。例如，有一個巨大的壓縮空氣罐，通過電纜連接到機(jī)器人上，用來給軟材料充氣，并為機(jī)器人提供動力。由魯?shù)峡祟I(lǐng)導(dǎo)的一個團(tuán)隊(duì)已經(jīng)設(shè)計(jì)出了一種切斷這條繩子的方法。其研究發(fā)表在《物理評論快報(bào)》期刊上，研究人員展示了一種利用磁場遠(yuǎn)程誘導(dǎo)軟復(fù)合材料，將其內(nèi)部結(jié)構(gòu)重新排列成各種新模式的方法。

研究表明，在一個相對簡單的系統(tǒng)中，可以得到由磁場水平控制非常廣泛的不同圖案，包括僅靠機(jī)械加載不可能實(shí)現(xiàn)的圖案，這一進(jìn)步使科學(xué)家能夠設(shè)計(jì)性能和功能增強(qiáng)的新型軟材料。以這種方式調(diào)整材料精細(xì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的能力，使研究人員可以定制其物理屬性，甚至可以根據(jù)需要打開和關(guān)閉不同的屬性。由于利用磁場消除了對直接接觸或令人討厭的電纜的需求，新的軟材料可能對醫(yī)療植入物等應(yīng)用有用。

該研究團(tuán)隊(duì)與空軍研究實(shí)驗(yàn)室的研究人員合作，使用一種柔軟彈性材料演示并分析了新形成的圖案。在軟材料內(nèi)部，研究小組以簡單的周期性模式，嵌入了堅(jiān)硬的可磁化材料的小顆粒。然后，研究人員對材料施加不同水平的磁場，這會導(dǎo)致磁化粒子重新排列，并在軟材料內(nèi)產(chǎn)生力和應(yīng)力。從重新排列粒子中出現(xiàn)的新模式，從高度組織和重復(fù)的模式，到看似具有大規(guī)模秩序但在局部水平上雜亂無章的獨(dú)特模式。

值得注意的是，可以調(diào)整磁場來產(chǎn)生所需的圖案，并改變材料的性質(zhì)，魯?shù)峡吮硎荆汉芨吲d能在更復(fù)雜的材料系統(tǒng)中進(jìn)一步探索這一現(xiàn)象。彈性不穩(wěn)定性會引發(fā)劇烈的微結(jié)構(gòu)變化，導(dǎo)致軟物質(zhì)中的異常行為。受這一現(xiàn)象的啟發(fā)，研究了軟磁活性彈性體(MAE)復(fù)合材料在磁場作用下變形時(shí)失穩(wěn)誘導(dǎo)圖案的形成。具有周期性分布顆粒的相同MAE復(fù)合材料，可以隨著不穩(wěn)定性的發(fā)展，而轉(zhuǎn)變?yōu)楦鞣N不同周期的新模式。

新形成的模式和后屈曲行為，是由外加磁場的大小決定。研究確定了在周期性粒子軟軟磁活性彈性體(MAE)復(fù)合材料中，當(dāng)不穩(wěn)定開始時(shí)，引起嚴(yán)格倍增周期的磁場特定能級。因此，預(yù)測的現(xiàn)象有可能用于設(shè)計(jì)新型的可重構(gòu)軟材料，使其具有可調(diào)材料微結(jié)構(gòu)，并可由磁場遠(yuǎn)程控制。

博科園｜研究/來自：威斯康星大學(xué)麥迪遜分校

參考期刊《物理評論快報(bào)》

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