多功能积木使结构具有令人惊讶的机械性能

麻省理工学院的位和原子中心的研究人员创造了微小的构件，这些构件具有各种独特的机械性能，例如在受到挤压时能够产生扭曲运动。这些子单元可能由微型机器人组装成具有内置功能的几乎无限多种对象，包括车辆，大型工业零件或可以以不同形式重复组装的专用机器人。

研究人员创建了四种不同类型的这些亚基，称为体素(二维图像像素上的3-D变异)。每种体素都具有典型的天然材料所不具备的特殊性能，并且可以组合使用它们来制造以可预测的方式对环境刺激做出响应的设备。示例可能包括飞机翼或涡轮叶片，它们通过改变整体形状来响应气压或风速的变化。

该发现详细描述了离散的“机械超材料”的创建过程，该结果在今天发表在《科学进展》杂志上的一篇论文中进行了描述，该论文由最近的麻省理工学院博士研究生本杰明·杰内特(Benjamin Jenett)博士撰写。20年代，尼尔·格申菲尔德教授和其他四位教授。

超材料之所以得名，是因为它们的大规模特性不同于其组成材料的微观特性。它们用于电磁学和作为“结构化”材料，它们是在其微观结构水平上设计的。Gershenfeld说：“但是，在创建作为超材料的宏观机械性能方面还没有做很多事情。”

Gershenfeld说，采用这种方法，工程师应该能够构建具有多种材料特性的结构，并使用相同的共享生产和组装过程来生产它们。

体素由注塑聚合物的扁平框架组装而成，然后组合成三维形状，可以连接成更大的功能结构。它们大部分是开放空间，因此在组装时提供了非常轻便但坚固的框架。除了基本的刚性单元(可提供强度和轻量的出色组合)之外，这些体素还有其他三种变体，每种都有不同的异常特性。

“膨胀”体素具有一个奇怪的特性，即当压缩时，一立方块材料实际上不是向侧面凸出，而是向内凸出。这是通过常规且廉价的制造方法生产的这种材料的首次展示。

也有“柔顺”体素，泊松比为零，这有点类似于膨胀特性，但是在这种情况下，当材料被压缩时，侧面根本不会改变形状。很少有已知材料具有这种性能，现在可以通过这种新方法来生产。

最后，“手性”体素以扭曲运动响应轴向压缩或拉伸。同样，这是一个不常见的属性;去年，通过复杂的制造技术生产出一种这样的材料的研究被认为是一项重大发现。这项工作使该属性在宏观尺度上易于访问。

“我们所展示的每种材料特性以前都是它自己的领域，”格申菲尔德说。“人们只会在一个属性上写论文。这是第一件事，将所有这些都显示在一个系统中。”

为了展示在这些大量生产的体素中以乐高形式建造的大型物体在现实世界中的潜力，该团队与丰田公司的工程师合作，生产了功能性的超里程赛车，并在汽车中进行了演示。在今年早些时候举行的一次国际机器人大会上，人们走上街头。

Jenett说，他们能够在短短一个月内组装出轻便，高性能的结构，而以前使用传统的玻璃纤维建造方法来建造可比的结构却花了一年的时间。

示威期间，街道被雨水打滑，赛车最终撞上了障碍物。令所有人都感到惊讶的是，汽车的格子状内部结构发生了变形，然后反弹，从而吸收了很少的震动。珍妮特说，传统的汽车如果由金属制成，可能会严重凹陷，而如果是复合材料，则可能会破碎。

这辆车生动地证明了这些微小的零件确实可以用于制造与人一样大小的功能设备。而且，格申菲尔德(Gershenfeld)指出，在汽车的结构中，“这些部件不是与其他部件连接的。除了这些部件之外，整个部件都是由这些部件组成的，”除了电动机和电源。

由于体素在大小和成分上均一，因此可以按照为所得设备提供不同功能所需的任何方式进行组合。Gershenfeld说：“我们可以涵盖以前被认为非常专业的各种材料特性。” “关键是您不必选择一个属性。例如，您可以制作在一个方向上弯曲但在另一个方向上变硬并且仅以特定方式移动的机器人。因此，与以前的机器人相比，这是一个很大的变化这项工作具有跨越多种机械材料特性的能力，而在此之前，人们还没有孤立地考虑过这种能力。”

杰内特(Jennett)从事的大部分工作都是他的博士学位论文的基础，他说：“这些零件价格低廉，易于制造且组装速度非常快，您可以在一个系统中获得所有这些特性。它们彼此兼容，因此具有所有不同类型的奇异属性，但是它们在同一个可扩展，廉价的系统中彼此之间可以很好地发挥作用。”

“考虑一下汽车，机器人，轮船和飞机上的所有刚性部件和活动部件，”格申菲尔德说。“而且，我们可以使用这一系统来涵盖所有这些内容。”

Jenett说，关键因素是由一种这类体素组成的结构的行为方式与子单元本身完全相同。“我们能够证明，将零件组装在一起时，关节有效地消失了。它表现为连续的整体材料。”

Gershenfeld说，尽管机器人学研究倾向于将硬性和软性机器人分为两类，但“这两者都不是，因为它有可能在单个设备中混合并匹配这些特性。”

珍妮特说，这项技术可能的早期应用之一可能是用于制造风力涡轮机的叶片。随着这些结构变得越来越大，将叶片运输到其操作现场已成为严重的后勤问题，而如果它们是由数千个微小的子单元组装而成的，则可以在现场完成这项工作，从而消除了运输问题。类似地，由于它们的大尺寸和缺乏可回收性，对用过的涡轮叶片的处置已经成为一个严重的问题。但是由微小体素组成的刀片可以在现场拆卸，然后再将体素重新用于制造其他东西。

此外，叶片本身可以提高效率，因为它们可以在结构中设计出多种机械性能，从而使它们能够动态，被动地响应风的强度变化，他说。

总的来说，Jnett说：“现在我们有了这个低成本，可扩展的系统，因此我们可以设计任何我们想要的东西。我们可以做四足动物，可以做游泳机器人，可以做飞行机器人。灵活性是关键之一。该系统的好处。”

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