科學(xué)家研發(fā)全新磁控變形材料不用觸碰也能移動物體

當(dāng)我們想要移動物體時，通常會用手或機械臂去抓取。但如果是液滴這樣的易碎品，或者處在狹小空間里的物品呢？

近日，美國北卡羅來納州立大學(xué)的科研團隊研制了一個新的解決方案。他們開發(fā)出一種能隨磁場變形的新型超材料，無需直接接觸就能操控物體，不僅打破了傳統(tǒng)抓取方式的局限，更為精密操控領(lǐng)域帶來了全新的可能性。

“我們面臨著兩個主要挑戰(zhàn)。”研究人員解釋說，“首先是如何移動那些無法用夾持器抓取的物體，比如易碎品或在密閉空間中的物品。其次是如何利用磁場來遠(yuǎn)程抓取和移動非磁性物體?！睘榱藨?yīng)對這些挑戰(zhàn)，研究團隊將磁場控制與日本剪紙藝術(shù)“kirigami”的原理相結(jié)合，借此開發(fā)出一種超材料薄片，這種薄片由彈性聚合物制成，內(nèi)部嵌入了磁性微粒，并在表面精心設(shè)計了特殊的切割圖案。該論文的主要作者、現(xiàn)任美國賓夕法尼亞大學(xué)博士后研究員池印丁指出：“切紙設(shè)計對這種超材料薄片至關(guān)重要，因為它在不犧牲材料本身剛度的前提下，提高了材料的柔韌性。這使我們能夠在不損失機械強度的情況下，顯著增強材料的變形能力?！?/p>

在開發(fā)過程中，研究團隊面臨著一個看似矛盾的問題：如何讓材料既容易變形又足夠堅固以承載重物？團隊通過使用磁性彈性體、切紙（原理）、氣球和磁鐵的獨特組合最終找到了答案。他們首先制作了直徑5毫米、厚度265微米的磁性彈性體圓盤，將其置于可充氣膜上，像氣球一樣充氣使其形成圓頂形狀，然后進行磁化處理，最后恢復(fù)到原來的平坦?fàn)顟B(tài)。

這種創(chuàng)新設(shè)計讓研究人員可以通過控制磁場的方向，使薄片表面產(chǎn)生類似海浪般的起伏運動。而通過調(diào)節(jié)磁場強度，則可以精確控制“波浪”的高度。研究人員表示：“通過控制超材料薄片表面的運動，我們可以移動各種類型的物體，無論是液滴還是平板玻璃。這種操控方式的精確性和適應(yīng)性讓人印象深刻?！?/p>

在深入研究過程中，團隊還發(fā)現(xiàn)了一些意想不到的特性。最初的圓盤在磁場作用下只能隆起略高于1毫米，而且材料的相對較低剛度限制了其承重能力。

為了解決這個問題，研究人員使用激光切割機在圓盤上制作了類似切紙藝術(shù)的圖案。這個改進帶來了驚人的效果，帶有正交切割的圓盤在磁場作用下能夠達到4毫米的隆起高度，這比沒有切割的圓盤高出一倍多。

更令人驚喜的是，這種設(shè)計不僅沒有降低材料的承重能力，反而在磁場作用下使其剛度提高了1.8倍。

理論上，引入切割應(yīng)該會顯著降低材料的楊氏模量（衡量材料在應(yīng)力下的剛性程度的指標(biāo)），使圓頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)剛度降低80%。但實際效果卻截然相反，這是因為傳統(tǒng)計算公式?jīng)]有考慮到磁場的影響。

當(dāng)切割的長寬比為6時，材料對磁場的響應(yīng)性顯著提升，進而增強了磁場誘導(dǎo)剛化效應(yīng)。

實驗證明，這種帶切割的圓頂能夠?qū)⒅剡_43.1克（相當(dāng)于自身重量28倍）的物體提升到2.5毫米的高度并穩(wěn)定保持。為了展示這項技術(shù)的實際應(yīng)用潛力，研究團隊制作了一個5×5的圓頂陣列，通過底部可移動的永磁體支柱進行控制。

這個系統(tǒng)能夠精確地移動水滴、薯片、樹葉，甚至小木板，還能轉(zhuǎn)動培養(yǎng)皿。更令人興奮的是，其表面對磁場變化的響應(yīng)時間不到2毫秒，這一速度甚至可以與游戲顯示器相媲美。

這項技術(shù)的應(yīng)用前景十分廣闊。在實驗室，它可以用于精確輸送和混合微量液體，這對于生物醫(yī)學(xué)研究和化學(xué)實驗具有重要意義。在虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域，其快速響應(yīng)的特性使其有望用于觸覺反饋控制器．模擬不同物體的觸感和質(zhì)地。

研究人員表示：“雖然我對觸覺技術(shù)還比較陌生，但考慮到我們可以通過調(diào)節(jié)磁場來改變表面的剛度，這應(yīng)該能夠幫助我們重現(xiàn)不同的觸覺感知?！?/p>

目前，研究團隊正致力于解決最后一個技術(shù)難題：如何提高分辨率。如果將每個圓頂比作顯示器的一個像素，目前的分辨率還相對較低。

研究人員表示，通過先進的制造技術(shù)，有望將圓頂?shù)闹睆娇s小到約10微米。不過，在如此小的尺度下實現(xiàn)驅(qū)動是一個挑戰(zhàn)。

除了繼續(xù)研究小型化，研究團隊還在探索這項技術(shù)在游戲和輔助設(shè)備等領(lǐng)域的應(yīng)用。

這項創(chuàng)新不僅展示了材料科學(xué)的最新進展，也為未來的精密操控和人機交互開辟了新的可能性。它證明，有時候最優(yōu)雅的解決方案不是讓抓握更加有力，而是更聰明地思考如何完全避免接觸。（綜合整理報道）（策劃／多洛米）