全新薄膜材料可像蚱蜢一样跃至其自身的200倍高

科罗拉多大学博尔德分校的工程师们创造了一种新的、类似橡胶的薄膜，它可以独立地跳到高空中，模仿蚱蜢的运动，不需要任何外部援助。只要把它加热，就能看到它跳起来。研究人员在最近发表于《科学进展》杂志的一篇论文中记录了他们的成就。他们预测，类似的材料有一天可以帮助体现"软体机器人"（那些不需要齿轮或其他硬部件来移动的机器人）的跃升。

研究报告的共同作者Timothy White说，这种材料复合材料的反应有点像蚱蜢如何通过在腿部储存和释放能量来跳跃。

(资料图片)

怀特说："在自然界中，很多像蚱蜢的腿这样的适应性都是利用储存的能量，我们正试图创造出模仿这些自然属性的合成材料"。他是中大博尔德分校化学和生物工程系的Gallogly教授。

这项新研究利用了一类被称为液晶弹性体的材料的不寻常行为。这些材料是笔记本电脑或电视显示屏中的液晶的固体和弹性聚合物版本。

在这项研究中，研究小组制作了约有隐形眼镜大小的液晶弹性体的小圆片，然后将它们放在一个热板上。随着这些薄膜的加热，它们开始翘曲，形成一个上升的圆锥体，直到它突然爆fa性地从里面翻转出来，从而在短短6毫秒内将材料弹到近200倍于其自身厚度的高度。

研究的主要作者Tayler Hebner说："这为以新的方式使用高分子材料提供了机会，比如软体机器人，我们经常需要获得这些高速、高力的驱动机制。"她于2022年在博尔德大学获得化学和生物工程博士学位，现在她是俄勒冈大学的博士后研究员，她和同事几乎是在偶然中发现了这种跳跃行为。

她当时正在实验设计不同种类的液晶弹性体，看它们在温度变化下如何改变形状。怀特实验室的高级研究助理Joselle McCracken和她一起观察。

"我们只是看着液晶弹性体坐在热板上，想知道为什么它没有做出我们预期的形状。它突然就从测试台上跳到了台面上，"Hebner说。"我们俩只是互相看着对方，有点困惑，但也很兴奋。"

通过仔细的实验和加州理工学院合作者的帮助，该团队发现是什么让他们的材料实现了跳跃。

White解释说，这些薄膜都是由三层弹性材料组成的。他说，这些层在变热时就会收缩，但上面两层的收缩速度比下面一层快。这种不协调的现象，再加上层内液晶分子的取向，导致薄膜收缩并形成一个锥形。这有点像喷漆的乙烯基护墙板在太阳光下的翘曲。

随着锥体的形成，薄膜中的应力逐渐增加，直到一下子--啪！圆锥体倒转，就像孩子的爆竹玩具一样拍打着表面，把材料撞起来，且这种薄膜也可以跳动数次而不被磨损。

然而，与爆竹不同的是，该团队的液晶弹性材料是通用的。研究人员可以调整他们的薄膜材质，使它们在不同温度下跳起来，还可以给薄膜加上腿，使其向一个特定的方向跳跃。

大多数机器人可能无法使用这种弹跳效果来使其部件移动。但怀特说，该项目展示了类似材料的能力--储存大量的弹性能量，然后一次性释放出来，更不用说这个项目给实验室带来了一点乐趣。这是一个强有力的例子，说明研究的基本概念如何能够转化为以复杂和惊人方式执行的设计。

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