研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種改變游戲規(guī)則的材料，可以極大地影響機器人和節(jié)能技術(shù)。

人類的進步一直依賴于有效儲存和釋放能量的能力。

彈簧、緩沖器和能量阻尼材料為從工業(yè)機器到未來機器人的四肢提供動力。

現(xiàn)在，卡爾斯魯厄理工學(xué)院（KIT）的科學(xué)家們?nèi)〉昧艘豁椡黄疲瑢δ芗夹g(shù)推向了一個新的水平。

他們開發(fā)了一種新型的機械超材料 —— 一種人工設(shè)計的結(jié)構(gòu)，它比以往任何時候都更有效地儲存和釋放彈性能量。

這一創(chuàng)新可能會在節(jié)能機器人、機械系統(tǒng)和柔性結(jié)構(gòu)方面取得重大進展，在保持強度和耐用性的同時最大限度地利用能源。

這些材料使用一種獨特的扭曲桿結(jié)構(gòu)，以螺旋形狀變形，使它們能夠吸收和釋放大量的彈性能量。

通過利用這種新穎的設(shè)計，研究人員創(chuàng)造了一種結(jié)合了高剛度、高強度和特殊靈活性的材料。

什么是機械超材料？

超材料是一種特殊的工程材料，被設(shè)計成具有自然界中不存在的特性。

它們是通過精確地排列微小的結(jié)構(gòu)元素來創(chuàng)造具有增強機械性能的材料。

在這種情況下，KIT的研究人員開發(fā)了一種機械超材料，由緊密扭曲并以特定模式排列的桿制成。

通常，當彈簧彎曲時，應(yīng)力會在其頂部和底部表面積聚，從而導(dǎo)致斷裂或永久變形。

然而，扭轉(zhuǎn)而不是彎曲一根桿，將應(yīng)力更均勻地分布在其表面。這意味著它可以儲存更多的能量而不會損壞。

KIT應(yīng)用材料研究所（IAM）材料力學(xué)教授Peter Gumbsch解釋說：“難點在于結(jié)合高剛度、高強度和大可恢復(fù)應(yīng)變等相互矛盾的特性。”

通過仔細地將這些扭曲的棒排列成一個結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)，科學(xué)家們創(chuàng)造了一種比傳統(tǒng)材料儲存更多能量的材料，同時保持了強度和硬度。

設(shè)計具有最大彈性的材料

Gumbsch和他的團隊，包括來自中國和美國的研究人員，成功地將這一概念轉(zhuǎn)化為功能超材料。

“首先，我們發(fā)現(xiàn)了一種機制，可以在一個簡單的圓棒中儲存大量的能量，而不會破壞它或使它永久變形，”Gumbsch說。

“通過定義棒的巧妙排列，我們將這種機制集成到超材料中。”

通過以精確的方式排列桿，研究人員創(chuàng)造了一種可以拉伸或壓縮的材料，同時仍能恢復(fù)其原始形狀。

計算機模擬預(yù)測，這種超材料將具有很高的剛度，可以承受很大的力。

他們的測試證實，這種材料的能量儲存能力或焓比其他已知的超材料高出2到160倍。

未來在機器人和能源存儲方面的應(yīng)用

這種新型材料的潛在用途是巨大的。Gumbsch說：“我們的新型超材料具有高彈性能量存儲能力，未來有可能在需要高效能量存儲和特殊機械性能的各個領(lǐng)域得到應(yīng)用。”

機器人可以變得更加靈活和耐用，這得益于這種材料的拉伸和恢復(fù)能力，而不會斷裂。

此外，節(jié)能機器可以更有效地存儲和釋放能量，提高整體性能。

另一種可能性是利用超材料內(nèi)部的扭曲機制來制造純彈性關(guān)節(jié)，從而消除對傳統(tǒng)鉸鏈的需求，并改善機器人四肢和可穿戴外骨骼的運動。

有了這些進步，機械超材料可以為更強大、更高效、更持久的技術(shù)鋪平道路。

這項研究發(fā)表在《自然》雜志上。

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