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形超材料問世：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：1610
美國一雜志發表突破性成果：一種無需電機或齒輪、僅通過電磁場驅動即可實現動態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動態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能量轉換——當塑料管被壓縮時，其螺旋結構會自發扭曲，而扭曲過程又進一步驅動壓縮，形成閉環反饋。這種“壓縮-扭轉”機制借鑒了折紙中的雙穩態折疊原理，即材料在兩種穩定形態間切換時無需持續能量輸入，僅需初始電磁脈沖即可觸發。
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同形變，最終實現材料的整體膨脹、收縮、扭轉甚至定向移動。實驗數據顯示，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，避免傳統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%，顯著優于傳統驅動器(通常低于40%)。
在實驗中，團隊展示了Metabot的醫療應用潛力：通過編程控制其形變路徑，可實現毫米級精度的藥物膠囊推送，并在模擬血管環境中以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℃的穩態波動，為微創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。若成功突破產業化瓶頸，Metabot或將成為第四次工業革命的“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。
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