新型蚱蜢状材料可以跳跃到自身厚度的200倍

科罗拉多大学博尔德分校(University of Colorado Boulder)的工程师设计了一种新型的橡胶状薄膜，可以像蚱蜢一样高高跃起，完全靠自己，不需要外部干预。只需加热它，看着它跳跃!

研究人员于1月18日在《科学进展》杂志上描述了他们的成就。他们说，类似的材料有朝一日可以帮助体现“软机器人”(那些不需要齿轮或其他硬部件来移动的机器人)跳跃或举起。

材料复合材料的反应有点像蚱蜢通过在腿部储存和释放能量来跳跃，该研究的共同作者Timothy White说。

“在自然界中，像蚱蜢的腿这样的许多适应性都利用了储存的能量，例如弹性不稳定性，”CU Boulder化学和生物工程Gallogly教授White说。“我们正试图创造模仿这些自然特性的合成材料。

这项新研究利用了一类称为液晶弹性体的材料的特殊行为。这些材料是笔记本电脑或电视显示器中液晶的固体和弹性聚合物版本。

在这项研究中，该团队制造了隐形眼镜大小的液晶弹性体小晶片，然后将它们放在热板上。随着这些胶片升温，它们开始翘曲，形成一个上升的圆锥体，直到突然爆发性地翻转过来——在短短 6 毫秒内将材料射到近 200 倍于自身厚度的高度。

研究主要作者Tayler Hebner说：“这为以新的方式使用聚合物材料提供了机会，用于软机器人等应用，我们经常需要获得这些高速，高力的驱动机制，”该研究的主要作者Tayler Hebner说，她于2022年在CU Boulder获得化学和生物工程博士学位。

偶然发现

Hebner现在是俄勒冈大学的博士后研究员，她和她的同事几乎是偶然发现了这种跳跃行为。

她正在尝试设计不同种类的液晶弹性体，看看它们如何在不断变化的温度下改变形状。怀特实验室的高级研究员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形成我们预期的形状。它突然从测试台上跳到台面上，“赫布纳说。“我们俩只是看着对方有点困惑，但也很兴奋。

在加州理工学院合作者的仔细实验和帮助下，该团队发现了是什么让他们的材料跳高。

怀特解释说，这些薄膜中的每一个都由三层弹性体组成。他说，这些层在变热时会收缩，但前两层比下两层收缩得更快。这种不协调性与层内液晶分子的取向相结合，导致薄膜收缩并形成锥形。这有点像涂漆的乙烯基壁板在阳光下如何翘曲。

随着锥体的形成，薄膜中的应变会逐渐增加，直到一下子——啪!锥体倒置，拍打表面并敲击材料。同一片薄膜也可以跳几次而不会磨损。

“当这种反转发生时，材料会折断，就像孩子的波普尔玩具一样，它会从表面上跳下来，”怀特说。

飞跃

然而，与那些波普尔不同，该团队的液晶弹性体用途广泛。研究人员可以调整他们的薄膜，以便它们在变冷时跳跃，例如，不热。他们还可以给电影腿，让他们向特定方向跳跃。

大多数机器人可能无法使用这种爆裂效果来使它们的零件移动。但怀特说，该项目展示了类似材料的能力 - 存储大量的弹性能量，然后一次性释放它。而且，Hebner说，这个项目给实验室带来了一些乐趣。

“这是一个强有力的例子，说明我们研究的基本概念如何转化为以复杂和惊人的方式执行的设计，”她说。

蚱蜢，迎接你的新竞争。

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