化工儀器網手機版
移動端訪問更便捷
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：3585
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。
相關閱讀 Related Reading
查看更多+-
近日，湖南省人民政府辦公廳印發《關于創新完善體制機制推動招標投標市場規范健康發展的實施意見》，旨在推動湖南形成高效規范、公平競爭、...2025-05-09 14:30:18
-
覆蓋19個細分領域 《中國再制造產業發展報告（2025）》發布
5月8日，由機械工業環保產業發展中心主辦的2025再制造產業發展大會在河北唐山舉行，會上發布了《中國再制造產業發展報告（2025）...2025-05-09 13:57:51 -
中國儀器儀表學會分析儀器分會發布《2025年朱良漪分析儀器創新獎申報通知》，其中申報時間明確為2025年1月1日-2025年6月3...2025-05-09 13:27:49
-
5月8日，工業和信息化部公布首批重點培育中試平臺初步名單。經自愿申報、地方推薦、形式審查、專家評審、征求意見等程序，共選出242家...2025-05-09 13:27:34
-
近日，國家市場監管總局印發了《市場監管總局關于試行特種設備安全沙盒監管制度的通告》《缺陷特種設備召回管理規則》等系列文件，以此來加...2025-05-09 13:16:05
-
日前，四川省科學技術廳發布《關于征集人工智能重大科技專項項目攻關需求的通知》，現公開征集攻關需求。2025-05-09 10:35:20
版權與免責聲明
- ①凡本網注明“來源：化工儀器網”的所有作品，均為浙江興旺寶明通網絡有限公司-化工儀器網合法擁有版權或有權使用的作品，未經本網授權不得轉載、摘編或利用其他方式使用上述作品。已經本網授權使用作品的，應在授權范圍內使用，并注明“來源：化工儀器網”。違反上述聲明者，本網將追究其相關法律責任。
- ②本網轉載并注明自其他來源（非化工儀器網）的作品，目的在于傳遞更多信息，并不代表本網贊同其觀點和對其真實性負責，不承擔此類作品侵權行為的直接責任及連帶責任。其他媒體、網站或個人從本網轉載時，必須保留本網注明的作品第一來源，并自負版權等法律責任。
- ③如涉及作品內容、版權等問題，請在作品發表之日起一周內與本網聯系，否則視為放棄相關權利。
