美國北卡羅來納州立大學(xué)研究人員開發(fā)出一種“躍動結(jié)構(gòu)”,可在無需計算機或外部刺激的情況下,在預(yù)設(shè)時間自動跳起。這種“躍動殼”(metashell)何時起跳、跳多高,完全由材料結(jié)構(gòu)本身決定。相關(guān)研究于2日發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》上。
有些結(jié)構(gòu),比如被釋放的彈簧,在移除壓力后會立刻跳起。但研究人員想創(chuàng)造一種不依賴外部刺激,且可以提前設(shè)定起跳時間的結(jié)構(gòu)。
此次設(shè)計的躍動殼能在數(shù)秒至數(shù)十小時內(nèi),按設(shè)定的“時鐘”自動跳起。這種新型結(jié)構(gòu)由聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)構(gòu)成,呈球形,由復(fù)雜的晶格樣式連接在一起。這種結(jié)構(gòu)能最大限度地提高其能量儲存能力。
這項設(shè)計利用了PET的黏彈特性。當對躍動殼施加壓力時,它會被壓縮變形。當壓力移除后,它不會立即恢復(fù)原狀,而是緩慢“蠕變”回球形,直到達到一個臨界點,然后瞬間釋放能量,彈射至空中,完成跳躍。
值得注意的是,躍動殼的受力持續(xù)時間越長,結(jié)構(gòu)達到臨界點所需的時間也越長。
研究人員表示,這項技術(shù)的最終效果是,人們可以通過調(diào)整施加壓力的時間,精確設(shè)定躍動殼的跳躍時間,同時也能控制其跳躍的高度,因為受力時間越長,跳得越低。
在測試中,研究人員成功實現(xiàn)了從3秒到58小時的預(yù)定跳躍時間。躍動殼的起跳高度最高可達自身高度的9倍,也可以低至自身高度的二分之一,具體取決于預(yù)設(shè)的跳躍延遲時間。這意味著這種結(jié)構(gòu)不僅可以“定時起跳”,還能“按需跳高”。
團隊還測試了躍動殼在多種表面的跳躍能力,如硬地、沙地、雪地和水面,即使在-15℃的低溫環(huán)境中也能穩(wěn)定跳躍。此外,他們受到自然界種子爆裂傳播過程的啟發(fā),還能使躍動殼像鳳仙花種子那樣彈射出去。實驗顯示,一種直徑100毫米的躍動殼,成功將“種子”分散到1.5米范圍。
研究人員表示,這種無需外力、具備定時控制能力的結(jié)構(gòu),未來在環(huán)境監(jiān)測、生物標志物投放、軟體機器人等場景均有應(yīng)用潛力。
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