可編程機械積木改變剛度與運動方向

杜克大學的機械工程師們研發出可以根據需求編程及重新編程的固體建築方塊。透過控制微小的內部單元是固體還是液體，這些方塊能夠在不改變整體形狀的情況下，改變其剛度、阻尼和運動性。這項概念驗證使用了類似 Lego 的立方體，每個立方體內部由 27 個單元組成。每個單元都包含一種鎵-鐵合金，能在室溫下在固體和液體狀態之間切換。研究人員透過電流施加局部熱量，可以精確地將特定單元液化，從而有效地將機械行為編碼到這種僵硬的結構中。

在早期的演示中，團隊將多個立方體組裝成梁和柱，其彎曲和振動行為僅根據液化的內部單元的不同而改變。同一結構可以在不重建或重新塑形的情況下，像軟橡膠一樣或像剛性塑料一樣運作。最引人注目的演示是在水中進行的。研究人員將 10 個立方體組裝成一根直柱，作為機械魚的可編程尾巴。使用相同的電機輸入，不同的內部配置使魚能沿著截然不同的路徑游動，顯示出僅通過材料編程就能改變運動的可能性。

研究的第一作者、杜克大學的博士生白雲表示：「我們希望製造出像活物一樣的材料。」3D 打印機可以創建具有特定機械性質的材料，但需要重複打印才能改變它們。我們想創造一種像人類肌肉一樣能隨時改變剛度的東西。與變形材料不同，該系統在不改變幾何形狀的情況下改變機械反應。在二維測試中，研究人員展示了薄片能精確調節剛度和阻尼，同時保持相同的外形，這些薄片與商業材料進行了比較，顯示出範圍廣泛的性能。

在三維方面，方塊的模塊化特性增添了另一層靈活性。每個立方體都可以像 Lego 積木一樣連接或分離，使工程師能夠組裝出具有高度自定義機械行為的更大系統。一旦配置測試完成，將結構冷凍至零攝氏度可將所有單元重置為固態，從而實現反覆重新編程的能力。

白雲表示：「這使我們能夠創建具有不同機械性能的三維結構。冷凍方塊至零度會將所有單元重置為固態，這樣它們的配置可以反覆編程。」除了機器人應用，團隊還看到了在醫學和電子領域的潛在應用。透過調整金屬成分，可以針對人體等環境調整冷凍和熔化點。未來，這些迷你版本有可能在血管中運行、監測健康，或重新配置為能夠適應變化條件的支架。

杜克大學機械工程與材料科學助理教授倪曉月表示：「我們的目標是最終使用這些複合材料構建更大的系統。我們希望打造靈活的、可編程的材料，讓機器人能在各種環境中執行多種任務。」該研究已發表於《科學進展》期刊。