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不是科幻小说：哈佛科学家开发了一种“智能”液体

小烂毛整合编辑：杨玥锴发布于：2024-04-08 11:24

哈佛大学的研究人员创造了一种多功能可编程超流体，它能够响应压力改变其属性，包括粘度和光学透明度。这种新型流体在机器人技术、光学设备和能量耗散方面具有潜在应用，展示了超材料技术的重大突破。

哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的科学家们开发了一种可编程超流体，其弹性、光学属性、粘度，甚至能够在牛顿和非牛顿流体之间转换的能力都是可调的。

这种首创的超流体使用了一种小型弹性体球体的悬浮液——直径在50到500微米之间——在压力下弯曲变形，从而根本改变流体的特性。超流体可用于从液压执行器到编程机器人，到能够根据冲击强度耗散能量的智能减震器，再到能够从透明变为不透明的光学设备等各种应用。

该研究发表在《自然》杂志上。

“我们只是触及了这种新型流体可能性的表面，”SEAS材料科学和机械工程研究助理Adel Djellouli说，他是该论文的第一作者。“有了这个平台，你可以在许多不同的领域做很多不同的事情。”

超流体 vs. 固体超材料

超材料——其属性由结构而非成分决定的人造工程材料——多年来已被广泛应用于各种领域。但是，大多数材料——比如Federico Capasso实验室开创的金属透镜，他是哈佛SEAS的应用物理学Robert L. Wallace教授和电气工程Vinton Hayes高级研究员——都是固体。

“与固体超材料不同，超流体具有独特的流动性，并能够适应容器的形状，”SEAS应用力学William and Ami Kuan Danoff教授兼论文的高级作者Katia Bertoldi说。“我们的目标是创造一种不仅具有这些卓越属性的超流体，而且还提供了可编程的粘度、可压缩性和光学属性的平台。”

研究团队使用David A. Weitz实验室开发的高可扩展制造技术，他是哈佛SEAS的物理学和应用物理学Mallinckrodt教授，生产了数十万个这些高度可变形的球形胶囊，内填充空气并悬浮在硅油中。当液体内部的压力增加时，胶囊会塌陷，形成类似透镜的半球形。当压力消失时，胶囊会弹回到它们的球形状态。

超流体的属性和应用

这种转变改变了液体的许多属性，包括其粘度和不透明度。这些属性可以通过改变液体中胶囊的数量、厚度和大小来调整。

研究人员通过将超流体装入液压机器人夹持器，并让夹持器捡起玻璃瓶、鸡蛋和蓝莓来证明液体的可编程性。在传统的由简单空气或水驱动的液压系统中，机器人需要某种感测或外部控制才能调整其抓力，以便捡起所有三个物体而不压碎它们。

但是有了超流体，就不需要感测了。液体本身响应不同的压力，改变其柔顺性以调整夹持器的力量，使其能够捡起重的瓶子、脆弱的鸡蛋和小巧的蓝莓，无需额外编程。

“我们展示了我们可以使用这种流体为简单的机器人赋予智能，”Djellouli说。

该团队还展示了一个可以通过改变超流体来重新编程的流体逻辑门。

光学属性和流体状态

超流体在暴露于变化的压力时也会改变其光学属性。

当胶囊是圆形时，它们会散射光线，使液体变得不透明，就像气泡使充气水看起来白色一样。但是当施加压力并且胶囊塌陷时，它们就像微透镜一样，聚焦光线并使液体变得透明。这些光学属性可用于一系列应用，例如基于压力改变颜色的电子墨水。

研究人员还展示了，当胶囊是球形时，超流体表现为牛顿流体，意味着其粘度只对温度做出反应。然而，当胶囊塌陷时，悬浮液转变为非牛顿流体，意味着其粘度会对剪切力做出反应——剪切力越大，它就变得越流动。这是第一种被证明可以在牛顿和非牛顿状态之间转换的超流体。

接下来，研究人员计划探索超流体的声学和热力学属性。“这些可扩展、易于生产的超流体的应用空间是巨大的，”Bertoldi说。

超流体哈佛大学可编程性