智能液体

哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的研究人员开发出一种可编程的超材料流体，具有可调弹性、光学特性、黏度，甚至能够在牛顿流体和非牛顿流体之间转变的能力。

这种首创的超材料流体使用了悬浮在液体中的小型弹性体微球，直径在50到500微米之间，这些微球在受压时会发生弯曲，从而根本改变了流体的特性。超材料流体可以被用于各种应用，从液压执行器、可编程机器人、智能减震器到光学设备等。

研究成果已经发表在《自然》期刊上。

“我们只是触及了这种新型流体可能性的表面。” SEAS材料科学和机械工程研究助理，以及该论文的第一作者Adel Djellouli说道，“通过这个平台，你可以在很多不同领域做很多不同的事情。”

超材料是人工制造的材料，其性质由结构而非组成决定，已经广泛应用于各种领域多年。但大多数材料—比如由Federico Capasso实验室率先开发的金属透镜—都是固态的。

“不像固态超材料，超材料流体有独特的流动性和适应其容器形状的能力。” SEAS应用力学William and Ami Kuan Danoff 教授，以及该论文的通讯作者Katia Bertoldi说道，“我们的目标是创造一种超材料流体，它不仅具有这些卓越的特性，而且还提供了一个可编程的黏度、可压缩性和光学特性的平台。”

通过使用David A. Weitz实验室开发的一种高度可扩展的制造技术，研究团队生产了数十万个这些高度可变形的空气填充的球形胶囊，并将其悬浮在硅油中。当液体内部的压力增加时，这些胶囊会坍塌，形成类似透镜的半球形。当压力解除时，这些胶囊会弹回到球形。

这种转变改变了液体的许多性质，包括其黏度和不透明度，这些性质可以通过改变液体中胶囊的数量、厚度和大小来调节。

研究人员通过将超材料流体装入液压机器人手爪，并让机器人手爪分别捡起玻璃瓶、鸡蛋和蓝莓来证明了这种流体的可编程性。在传统的气动或液压系统中，机器人需要一定的感知或外部控制来调整其抓取力，以便能够不损坏地捡起所有三种物体。

但是使用超材料流体则无需任何感知。流体本身就能对不同的压力作出反应，改变其顺应性，以调整手爪的力量，可以轻松地捡起重物、娇贵的鸡蛋和小蓝莓，无需额外的编程。

“我们展示了我们可以使用这种流体赋予简单机器人智能。” Djellouli表示。

团队还展示了一种流体逻辑门，可以通过改变超材料流体来重新编程。

当超材料流体暴露在变化的压力下时，其光学特性也会发生改变。

当胶囊呈圆形时，它们会散射光线，使得液体变得不透明，就像气泡使得气泡水变白一样。但当施加压力并使得胶囊坍塌时，它们会像微透镜一样聚焦光线，使得液体变得透明。这些光学特性可以被用于各种应用，比如基于压力改变的电子墨水来改变颜色。

研究人员还证明了当胶囊为球形时，超材料流体的行为就像牛顿流体，即其黏度只会随温度变化。然而，当胶囊坍塌时，悬浮液就会转变成为非牛顿流体，意味着其黏度会随着剪切力的增加而改变——剪切力越大，流体性质越明显。这是第一个被证明能在牛顿和非牛顿状态之间转变的超材料流体。

接下来，研究人员打算探索超材料流体的声学和热力学性质。

Bertoldi表示，“这种易于生产的可扩展超材料的应用空间是巨大的。”

哈佛大学技术开发办公室已经保护了与这项研究相关的知识产权，并正在探索商业化机会。

该研究部分得到了美国国家科学基金会资助，资助编号DMR-2011754。

此外，该论文的合著者还包括Bert Van Raemdonck、Yang Wang、Yi Yang、Anthony Caillaud、David Weitz、Shmuel Rubinstein和Benjamin Gorissen。