想象一下，一辆小型自动驾驶汽车可以在陆地上行驶，停下来，然后把自己展平成一架四轴飞行器。旋翼开始旋转，飞行器飞走了。是什么机制使它从一个陆地交通工具变成了一个飞行的四轴飞行器？你的脑海里可能想象出了一些齿轮和皮带，也许是一系列小型伺服电机，把所有部件拉到合适的位置。
如果这种机制是由弗吉尼亚理工大学机械工程助理教授Michael Bartlett领导的团队设计的，你就会看到一种在材料层面上改变形状的新方法。这些研究人员使用橡胶、金属和温度来变形材料，并将它们固定在没有电机或滑轮的地方。该团队的研究成果已发表在《科学机器人》杂志上。论文的共同作者包括研究生Dohgyu Hwang和Edward J. Barron III以及博士后研究员A. B. M. Tahidul Haque。
大自然中有许多生物，它们可以通过改变形状来执行不同的功能。章鱼的外形变化非常明显，可以移动、进食，并与周围环境互动；人类通过收缩肌肉来支撑身体和保持体型；植物在一天中移动来捕捉阳光。如何创造一种材料来实现这些功能，使新型的多功能变形机器人呢?
Bartlett说:“当我们启动这个项目时，想要一种材料能符合三个要求：改变形状，保持形状，然后回到最初的状态，并进行多次循环。”“这种材料既要足够柔软，能够明显地改变形状，又要足够坚硬，以便能够创造出可执行不同功能的适应性强的机器。”
为了创造一个可以变形的结构，团队参考了基里加米——这是一种通过切割用纸制作形状的日本艺术。（这种方法不同于折纸的“折叠”）通过观察橡胶和复合材料中的基里加米图案的强度，该团队能够创建一个重复的几何图案的材料结构。
接下来，他们需要一种材料，既能保持形状，又能根据需要抹去形状。于是，他们将一种由低熔点合金(LMPA)制成的内骨骼嵌入橡胶外壳内。通常，当金属被拉伸过长，就会永久弯曲、破裂，或者被拉伸成固定的、无法恢复的形状。
然而，研究人员将这种典型的破坏机制转化为一种强度。这种特殊的金属嵌在橡胶中，当拉伸时，这种复合材料可以迅速保持所需的形状，非常适合作为可以瞬间变形的软变形材料。
最后，材料必须使结构恢复到原来的形状。研究小组在LMPA网的旁边安装了柔软的卷须状加热器。这种加热器使金属在60摄氏度(140华氏度)的温度下转化为液体。弹性橡胶外壳将熔化的金属保持在适当的位置，将材料扭转拉伸，拉回到原始形状，这就使复合材料具有研究人员所说的“可逆可塑性”。金属冷却后，它再次有助于保持结构形状。
“这些复合材料有一个金属支架嵌入到带有软加热器的橡胶中，这些金属支架是在基里加米启发下进行的切割设计。这些设计结合了材料的独特特性，对于变形、迅速固定成形状、然后复原非常重要。”
研究人员发现，这种受基里加米启发的复合设计可以创造出复杂的形状，从圆柱形到球状，再到辣椒底部的凹凸不平的形状。形状改变也可以快速实现：比如在与球相撞时，形状改变并固定在一个位置不到十分之一秒。此外，如果材料破裂，可以通过熔化和重组金属支架多次愈合。
这项技术的应用才刚刚开始。通过将这种材料与机载动力、控制和电机相结合，该团队创造了一种功能性的无人机，可以从地面到空中自动变形。该团队还创造了一个小型的、可部署的潜艇，利用材料的变形和复原，通过沿底部刮动潜艇的腹部，从水族箱中捞出物体。
“我们对这种材料为多功能机器人带来的机遇感到兴奋。这些复合材料足够强大，可以承受来自发动机或推进系统的力量，又可以很容易地变形，以适应它们工作环境。”Barron说。
展望未来，研究人员预计，变形复合材料将在新兴的软机器人领域发挥作用，创造出能够执行多种功能的机器，在受损后进行自我修复，并在人机界面和可穿戴设备方面激发不同的想法。
（独家编译：科幻世界）
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