科學家開發新型無人機 利用液態金屬從地面車輛「變形」為飛行器

想像一下一種小型的自主車輛可以在陸地上行駛，停下來，卻突然壓扁變成一架四旋翼無人機的場景。旋翼開始旋轉後，無人機就飛走了。更仔細地觀察它，你認為你會看到什麼？是什麼機制使它從一個陸地交通工具變成了一個飛行的四旋翼無人機？你可能會想像到齒輪等部件，也許是一系列微小的伺服電機，將它的所有部件拉到合適的位置。這種機制是由機械工程系副教授 Michael Bartlet領導的維吉尼亞理工大學的一個團隊設計的，他們提出了一種在材料層面改變形狀的新方法。

這些研究人員利用橡膠、金屬和溫度對材料進行變形，並在沒有電機或滑輪的情況下將它們固定到位。該團隊的工作已經發表在《科學機器人》上。該論文的共同作者包括研究生Dohgyu Hwang和Edward J. Barron III以及博士後研究員A.B. M. Tahidul Haque。

自然界有很多改變形狀以執行不同功能的生物。章魚戲劇性地改變形狀以移動、進食和與環境互動；人類彎曲肌肉以支持負荷和保持形狀；植物移動以捕獲全天的陽光。但如何創造一種能夠實現這些功能的材料，以實現新型的多功能、變形機器人？

Bartlet說：「當我們開始這個項目時，我們希望有一種材料能做三件事：改變形狀，保持這種形狀，然後返回到原來的配置，並在許多周期內做到這一點。其中一個挑戰是創造一種材料，它足夠柔軟，可以極大地改變形狀，但又足夠堅硬，以創造出可以執行不同功能的適應性機器。」

為了創造一個可以變形的結構，該團隊轉向了kirigami，這是一種通過切割用紙製作形狀的日本藝術。(這種方法與摺紙不同，摺紙使用的是摺疊。)通過觀察橡膠和複合材料中那些kirigami圖案的強度，該團隊能夠創建一個重複幾何圖案的材料架構。

接下來，他們需要一種既能保持形狀又能根據需要消除形狀的材料。在這裡，他們引入了一種由低熔點合金（LMPA）製成的內骨架，嵌入橡膠皮內。通常情況下，當一種金屬被拉得太長時，金屬會永久地彎曲、破裂或被拉成一個固定的、無法使用的形狀。然而，有了這種嵌入橡膠的特殊金屬，研究人員將這種典型的失敗機制變成了一種力量。當被拉伸時，這種複合材料現在會迅速保持所需的形狀，對於可以立即成為承重的軟性變形材料來說是完美的。

最後，該材料必須將結構恢復到其原始形狀。在這裡，研究小組在LMPA網旁邊加入了柔軟的、類似卷鬚的加熱器。這些加熱器使金屬在60攝氏度（140華氏度），或鋁的熔化溫度的10%，轉化為液體。彈性體表皮使熔化的金屬保持在適當的位置，然後將材料拉回原來的形狀，扭轉拉伸，使複合材料具有研究人員所說的 「可逆塑性」。金屬冷卻後，它再次有助於保持結構的形狀。

「這些複合材料有一個金屬內骨架嵌入到帶有軟性加熱器的橡膠中，其中受kirigami啟發的切口定義了一個金屬梁的陣列。」Hwang說：「這些切割與材料的獨特屬性相結合，對於變形、迅速固定成形狀，然後恢復到原來的形狀，真的很重要。」

研究人員發現，這種受kirigami啟發的複合材料設計可以創造出複雜的形狀，從圓柱體到球到辣椒底部的凹凸形狀。形狀的改變也可以快速實現。在與球撞擊後，形狀在不到0.1秒的時間內改變並固定到位。另外，如果材料斷裂，可以通過熔化和改造金屬內骨骼來多次癒合。

這項技術的應用才剛剛開始。通過將這種材料與機載動力、控制和電機相結合，該團隊創造了一種功能性的無人機，可以自主地從地面到空中飛行。該團隊還創造了一個小型的、可部署的潛艇，利用材料的變形和返回，通過沿底部刮動潛艇的腹部，從水族箱中撈出物體。

「我們對這種材料為多功能機器人帶來的機會感到興奮。」Barron說：「這些複合材料的強度足以承受來自馬達或推進系統的力量，但又能輕易地進行形狀變形，這使得機器能夠適應它們的環境。」

展望未來，研究人員設想變形複合材料將在新興的軟體機器人領域發揮作用，創造出能夠執行不同功能的機器，在受損後自我修復以提高復原力，並刺激人機界面和可穿戴設備的不同想法。