体素超材料,开启一个百变机器人时代?

体素超材料的广阔应用前景

浪花是如何形成的?

如果把浪花拆解开来,它只剩下一个个水分子。如果再把这些水分子聚集起来,在潮汐力的作用下,浪花才能“涌现”出来。

涌现,也是智慧诞生的方式。由简单的元素和简单的联接,构成一个足够复杂的有机体,智慧可能就从中“涌现”出来,比如人类上千亿神经元细胞组成的大脑,比如数以百万计蚂蚁组成的蚁群,逢山开路、遇水搭桥,完成一只蚂蚁根本无法企及的智慧行动。

体素超材料,开启一个百变机器人时代?

(《超能陆战队》中的反派和微型机器人)

如果你还记得《超能陆战队》里那个暖宝宝一样的大白,那你可能还记得小男孩阿宏发明的另一个黑科技,一个蜡笔一样的神经控制微型机器人,单个看起来平平无奇,但一旦成千上万个机器人组合起来,在人的思维控制下,就可以组合成各种形状,完成各种复杂的任务。

这一科幻设定不可谓不奇妙,虽然神经操控的技术还难以实现,但是用简单结构物体拼接成复杂事物的方法,我们则非常熟悉了。比如小孩子都热衷的乐高、数字版乐高《我的世界》。

现在,科研人员又前进了一步。MIT(麻省理工学院)比特和原子研究中心(CBA)的科学家们发明了一种“机械超材料”(mechanical metamaterials)的新型材料系统,可以通过一系列微型聚合物材料,制作类似“积木”的微型构件模块,能够表现出一些非常独特的机械性能,比如在受到挤压后能表现出扭转运动。即使在组装成大型复杂立体结构的物体之后,也能保持和基础模块一样的特性。

这种被称为“体素”的新材料,不仅仅是高级乐高玩家们的福音,而且未来可以应用在拼接各类大型复杂物体,包括像汽车、风力涡轮机叶片和各类专用机器人,将有可能用于工业制造、机器人、军事设施以及日常消费等领域。

什么是超材料?

材料(material),在亚里士多德那里,是被称为“四因说”当中的基本因素之一,是那个形而上学始终无法摆脱的“客观实在”。其实对于大多数中国人来说,材料根本一点也不神秘,就是“金木水火土”这类经验世界当中都能直观到的东西。

具体到生活经验中,那就是用来灌溉土地的水、用来制作生活器物的陶土、用来烧火的木柴,用来砍伐耕作的铁器。今天我们稍微归类一下,就是所谓的陶瓷材料、木质材料、金属材料,以及在现代科技和工业上产生的高分子材料、复合材料等。

同样,超材料也是一个现代跨学科研究而出现的新型材料领域,涵盖像电子工程、凝聚态物理、微波、光电子学、经典光学、材料科学、半导体科学以及纳米科技等学科。

体素超材料,开启一个百变机器人时代?

“超材料”只能是由人工设计的结构,并具有天然材料所不具备的超常物理性质的复合材料。

比如,像可以直接将废热转化为可用电力的热电材料,可以作为太阳能电池替代材料的钙钛矿,可以作为绝佳绝缘体的气凝胶。还有像斯坦福大学张首晟教授提出的超导材料Stanene,一种可以在室温下进行零阻力导电的拓扑绝缘体。

体素超材料,开启一个百变机器人时代?

最有噱头的超材料是在美国DARPA资助下的一种可以改变覆盖物周围光线速度的隐形材料,非常具有“科幻色彩”。

超材料的特色在于因其大规模特性不同于其组成材料的微观特性而出名,因此它们被多用于电磁领域,主要是围绕其微观结构层面来进行设计,但是研究超材料所具有的宏观机械特性方面的工作还没有展开太多。

因此,体素的提出正是在宏观方面的一次新突破。

体素:一种可柔可刚的机械超材料

体素之所以叫Voxels,就是而为图像像素(Pixel)的三维化而得名。

这种被称为“体素”的“机械超材料”,其特色不在于其材料的特殊性,而在于其设计结构,体素是由注塑成型的聚合物组成的平面架构而成,然后再拼接成三维结构。

上个月,MIT的研究者将他们的成果发表在Science杂志的子刊Science Advances 上,提出了四种不同类型的机械超材料子单元结构,也就是四种类型的体素。

体素超材料,开启一个百变机器人时代?

如上图所示,这四种体素类型分别是刚性(灰色)、柔顺(紫色)、拉胀(橙色)和手性(蓝色)。

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灰色的刚性材料出色的结合了刚性和轻盈的特点,可以应用在既需要高强度特性又需要特定重量的结构物体上,比如赛车。

体素超材料,开启一个百变机器人时代?

最近MIT的团队已经和丰田合作,推出了这一“体素”赛车。这辆汽车除了电机和电源外,其余零件都是由体素构成的。据研究团队介绍,他们使用了一个月时间就组装出这一轻量化、高刚性的结构,而如果采用之前传统的玻璃纤维结构方法建造一个类似的结构需要一年的时间。

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在实际的演示中,因为赛道路面湿滑,赛车最终撞在了障碍物上(可能有意为之),出乎意料的是,这辆赛车的网格状的内部结构在变形后,完全吸收了冲击力之后发生了反弹,几乎没有出现损坏。如果是传统的采用金属材质的汽车,很可能会严重凹陷,如果是复合材料,则会被撞得粉碎。

这一结果却是振奋人心,未来可能会有大量物品或机械品的外包装结构可以采用这种刚性材料。除了这一标准的刚性体素,其他三种体素也各具其独特特性。

体素超材料,开启一个百变机器人时代?

第二种是紫色的“顺应性”体素(”compliant” voxels),其泊松比(横向变形系数)为零,在压缩时不会出现侧面变形,这对于我们的直观经验来说也是一种颠覆的特性,因为我们很少能从已知的材料中看到这种状况出现。

体素超材料,开启一个百变机器人时代?

第三种橙色的“拉胀性”体素(”auxetic” voxels),其构成的立方体材料在被压缩时不是从两边凸出,而是向内凸起。

体素超材料,开启一个百变机器人时代?

第四种蓝色的“手性”体素(”chiral” voxels),可以在受到轴向压缩或拉伸时会出现扭曲反应。这也是一种不同寻常的特性。

原本后两者都要通过非常复杂的制造技术生产出类似材料,但现在通过这项体素的拼接技术,可以很容易用廉价的方法制造出来,实现这些独特性能。

由于一个体素组合而成的结构可以表现出与子单元一模一样的行为方式,这就相当于一个整体就可以作为一个更大整体结构的部分,中间的结合件等于可以消失不见,形成连续的整体式材料。

由于体素的尺寸和成分一致,他们可以以任何方式结合,使得整个设备获得不同的特性。这与之前最大的变化是,在一个设备中结合诸多的机械材料特性,而之前往往认为这些特性只能是孤立存在的。

最重要的是,这种出色性能、廉价而方便应用的超材料有望彻底改变超轻盈材料结构的成本,具有相当强的可定制性和实用功效,具备非常广阔的应用前景。

体素超材料的广阔应用前景

体素的这些机械超材料特性指出一个最根本的应用方向,就是由这些具有独特特性的零部件组合来制作庞大的实用设备。

体素可以组成汽车、轮船、飞机以及各类专业机器人上面的所有刚性零部件和活动部件。研究人员给出了一个典型的应用就是构造用于风力发电机的涡轮叶片。

体素超材料,开启一个百变机器人时代?

我们可能会在旅游途中看到那些远处山头上的风力发电机,而其中一个叶片就要长达数十米,这令叶片的运输和安装变得非常困难。但如果这个叶片是由数千个微小的子单元组装而成,这些子单元可以方便运到现场后再组装,就极大的消除了运输问题。

另外,一旦这些发电机废弃,巨大的涡轮叶片的拆卸回收也是一个难题,而由微型体素做成的叶片就可以现场拆卸,重新利用。

更为重要的一点是叶片本身因为具有了T恤的混合的机械特性,使得叶片可以动态地响应风力强度的变化,从而提高风力发电的效能。

基于体素的可扩展性和独特特性,体素超材料可以做出坚固但特别轻盈的航空飞行器,使其表面可以不断地优化形状,真正像鸟的翅膀一样;也可以使得汽车的空载质量更接近有效载荷,防撞结构将极大减轻整车的质量;体素的抗压强度,可以使得无氦真空气球可以在大气中漂浮的球形外壳的净载荷达到大型喷气式飞机的几十倍,极大提高承载量。

体素超材料,开启一个百变机器人时代?

也就是,体素超材料类似于一种仿生学上的细胞状材料,为未来工业设计提供全新的工具。

在专业机器人制造上面,因为有这样一个低成本、可扩展的诸多机械材料特性系统,人们可以根据体素的多种特性来设计各式机器人,比如四足机器人、游泳机器人、飞行机器人、管道检测机器人等。

事实上,MIT这项研究的背后仍然少不了美国军方的影子,其研究得到了美国宇航局NASA、美国陆军研究实验室的支持。这意味着这些独特机械性能的材料会被用于军事领域设备和机器人的设计和制造,比如制造出可以吸收冲击能量的机器人,用在反恐排爆的现场,制造出可以快速拼接桥梁、梯子的机器人,极大增强军事机动性和作战人员及装备的生存能力。

体素超材料,开启一个百变机器人时代?

可以预见的未来,一旦这种体素材料能够大规模商业使用,可能就像乐高一样简单易得,那么很有可能出现一种民用自定义编程材料的应用领域,从而出现各式各样的生活、游戏娱乐设备、机器人和大型工程装备。

作为一个致力于“科技向善”的媒体人,最后只衷心地希望这一超材料多多造福于人类,而非用在战争之上。

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