機(jī)器人前瞻4月24日消息，普林斯頓大學(xué)工程學(xué)院開發(fā)出一種突破性材料，稱為“元機(jī)器人”（metabot）。這種材料無需電機(jī)或內(nèi)部齒輪，就能通過外部磁場控制實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展、變形、移動(dòng)等復(fù)雜行為，是一種將材料和機(jī)器人功能合二為一的機(jī)械超材料。
據(jù)2025年4月23日《自然》雜志發(fā)表的同行評審論文，這一成果結(jié)合折紙藝術(shù)與電磁控制技術(shù)，展現(xiàn)其在軟體機(jī)器人、醫(yī)療、熱調(diào)控和光學(xué)領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用潛力。
一、手性折紙驅(qū)動(dòng)的超材料技術(shù)
元機(jī)器人是一種超材料，其獨(dú)特性能源于物理結(jié)構(gòu)而非化學(xué)成分。研究團(tuán)隊(duì)受折紙藝術(shù)中的“Kresling圖案”啟發(fā)，設(shè)計(jì)出由簡單塑料和定制磁性復(fù)合材料構(gòu)成的模塊化單元。
這些單元呈手性（鏡像對稱）排列，通過底部連接形成長圓柱體，每個(gè)單元可獨(dú)立響應(yīng)精確設(shè)計(jì)的磁場，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)、壓縮或展開等動(dòng)作。
研究負(fù)責(zé)人、普林斯頓大學(xué)工程學(xué)教授格勞西奧·保利諾（Glaucio Paulino）表示：“這種材料可在材料與機(jī)器人間自由轉(zhuǎn)換，完全通過外部磁場控制，無需內(nèi)置電機(jī)或齒輪?！?/p>
團(tuán)隊(duì)通過電磁場同時(shí)傳遞能量和信號，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜行為的精準(zhǔn)控制。電氣與計(jì)算機(jī)工程學(xué)副教授陳敏杰（Minjie Chen）強(qiáng)調(diào)，磁場驅(qū)動(dòng)使元機(jī)器人能夠瞬時(shí)、精確地傳遞扭矩，觸發(fā)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。
例如，材料在順時(shí)針扭轉(zhuǎn)時(shí)坍縮，逆時(shí)針扭轉(zhuǎn)時(shí)展開，并能通過扭轉(zhuǎn)順序模擬“遲滯”現(xiàn)象，即材料變形不僅取決于當(dāng)前扭轉(zhuǎn)方向，還受此前扭轉(zhuǎn)歷史影響。比如先順時(shí)針再逆時(shí)針時(shí)，恢復(fù)原狀所需的扭轉(zhuǎn)幅度可能更大。
這種非對稱行為為工程、物理和經(jīng)濟(jì)學(xué)中復(fù)雜系統(tǒng)的建模提供了全新物理模擬方法。研究還展示了微型原型，利用激光光刻技術(shù)制造出高度僅100微米的元機(jī)器人，略厚于人類頭發(fā)，驗(yàn)證了技術(shù)的可行性。
二、從微型元機(jī)器人到熱調(diào)節(jié)器的場景探索
元機(jī)器人的多功能性使其在多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。
首先，在醫(yī)療領(lǐng)域，微型元機(jī)器人可用于體內(nèi)藥物精準(zhǔn)遞送或協(xié)助外科醫(yī)生修復(fù)受損骨骼和組織。研究團(tuán)隊(duì)在普林斯頓材料研究所通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其微米級精度的可控性，未來有望應(yīng)用于微創(chuàng)手術(shù)。
其次，在熱調(diào)控方面，元機(jī)器人通過在吸光黑色表面與反射表面間切換，實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)顯示，在強(qiáng)陽光下，材料表面溫度可在27℃至70℃間自由調(diào)節(jié)，適用于智能建筑或航天器熱管理。
此外，元機(jī)器人還可用于光學(xué)和通信領(lǐng)域，例如制造可調(diào)天線或處理光波長的透鏡設(shè)備。研究還探索了其在邏輯模擬中的潛力，通過物理結(jié)構(gòu)模擬計(jì)算機(jī)中晶體管的邏輯門行為，為復(fù)雜非交換狀態(tài)的物理建模提供了可能。
然而，實(shí)際應(yīng)用仍面臨挑戰(zhàn)，包括大規(guī)模制造、長期穩(wěn)定性和復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性。團(tuán)隊(duì)表示，當(dāng)前研究為早期階段，需進(jìn)一步優(yōu)化材料設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。
三、“元機(jī)器人”點(diǎn)燃范式轉(zhuǎn)變的開始
該研究獲得材料科學(xué)與機(jī)器人領(lǐng)域?qū)＜业母叨日J(rèn)可。麻省理工學(xué)院教授趙選賀（Xuanhe Zhao，未參與研究）稱：“這項(xiàng)工作為折紙?jiān)O(shè)計(jì)和應(yīng)用開辟了令人興奮的新途徑，其模塊化手性設(shè)計(jì)的多功能性令人印象深刻。”
意大利特倫托大學(xué)教授戴維德·比戈尼（Davide Bigoni）認(rèn)為，元機(jī)器人可能“推動(dòng)軟體機(jī)器人、航空航天、能量吸收和自動(dòng)熱調(diào)控領(lǐng)域的范式轉(zhuǎn)變”。
這項(xiàng)研究不僅展示了材料本身具備機(jī)器人功能的可能性，也為未來跨學(xué)科融合帶來了全新的想象空間。
來源：EurekAlert
熱門跟貼