令人滿足的超材料在皮膚中存儲能量

當您在飲水機蓋上按壓凹坑時，它們變成凸面或凹面。具有兩個穩定狀態的材料或結構演示了一個稱為雙穩態的概念。普渡大學的一個團隊已經證明，這些圓頂的圖案化薄片將形成一個蓄能的皮膚：足夠堅固以執行機械任務，甚至可以像機械計算機一樣進行編程以存儲和處理數據。

普渡大學機械工程學助理教授安德烈斯·阿列塔(Andres Arrieta)說：“雙穩性是自然界中發現的重要概念。“例如，假發具有雙穩態，可折疊的機翼，只需很少的能量就可以卡扣到打開狀態。我們正在努力使可編程結構受到這種雙穩性的啟發。”

Arrieta的團隊從一個簡單的結構開始：一個扁平的1英寸正方形薄板，帶有一個彈出式圓頂，并由熱塑性聚氨酯進行3-D打印。通過用手指按壓，圓頂將突然變成凸形或凹形。當他們打印這些圓頂的3×3網格時，他們開始見證新的行為。

阿里埃塔說：“當你顛倒兩個彼此接近的圓頂時，它們開始相互作用。” “當您開始在圖紙上制作這些穹頂的圖案時，圖紙本身就會開始整體彎曲。根據翻轉的穹頂，您會得到不同的形狀。”

他們開始嘗試使用更大的網格，按更復雜的圖案。通過致動某些圓頂(將其壓入或壓出)，片材將變成圓柱體，星形或鞍形。阿里埃塔說：“這些單個的雙穩態圓頂正在結合形成一種新的超材料，它本身具有多個穩定狀態。” “我們稱其為分層多穩定性。”

您可以使用分層多穩定性來做什么?作為演示，Arrieta的團隊使用兩行圓頂構造了一個簡單的機器人抓手。當圓頂呈凹形時，抓臂保持打開狀態。但是，通過施加少量氣壓以使球型罩變得凸起，抓手臂就會閉合得足夠緊，以抓住并保持一小塊重量。

阿里埃塔說：“掌握一些東西很容易，但是要保持這種把握就需要不斷消耗精力。” “對于人類和機器來說都是如此。但是，這種抓爪的有趣之處在于，當我們翻轉使抓爪閉合的圓頂時，我們實際上是將能量存儲在皮膚中。抓爪臂正在利用這種能量來保持抓握力，而不是需要一些外部能源。實質上，我們將結構本身用作機械電池。”