紐約大學研究團隊近日開發出一種全新的「流體齒輪」系統，這種裝置無需傳統齒輪的實體齒輪咬合，而是透過流體運動傳遞扭力，有望為機械設備帶來更強的適應性和耐用性。這項研究由紐約大學數學與物理學教授，以及紐約大學上海分校團隊領導完成，相關成果已發表於《Physical Review Letters》。 研究人員證明，一類依賴流體渦流而非齒輪咬合的「單齒輪」齒輪系統可行，且這種設計無法限制轉速，甚至能調節旋轉方向。
齒輪作為機械系統的基礎部件，已有數千年歷史，最早可追溯至約 3000 年前的中國，用於穿越沙丘的雙輪戰車。此後，齒輪廣泛應用於古希臘安提基特拉機械裝置、風車、鐘錶以及現代機器人等各種裝置中。
傳統齒輪的局限與流體替代方案
然而，傳統齒輪長期存在固定局限。不論材質為木材、金屬或塑膠，齒輪結構本質上較為剛性，易受損，同時需在位置上實現精準對位，否則即影響運轉效果。正因如此，研究團隊開始探索，是否能在無實體齒輪、甚至無部件直接接觸的條件下，實現類似齒輪的運動功能。 研究人員認為，既然空氣和水流本就能驅動風輪等裝置，那麼經精確控制的流體運動，理論上亦可取代傳統齒輪的功能。為驗證此構想，團隊開展細緻實驗，使用矽油與水混合液中的圓柱形轉子，透過調節流體黏度和密度，控制流體的運動特性。
在實驗中，一個圓柱轉子由外部力量驅動旋轉，另一個則保持被動狀態。研究人員預測，主動轉子的運動會在流體中形成渦場，從而帶動被動轉子旋動。為更直觀觀察流體如何傳遞動力，團隊還在流體中加入微小氣泡，用以顯示流動軌跡；同時測試不同轉子間距和不同轉速條件下的表現。 結果顯示，旋轉圓柱與周圍流體間的相互作用，能模擬出不同類型的機械運動系統。當兩個圓柱彼此靠近時，流體的作用方式類似傳統齒輪間相互咬合的齒輪，會使被動轉子朝相反方向旋轉；而當兩者距離較遠、主動轉子轉速更快時，流體則以類似皮帶輪或摩擦輪的方式作用
於被動轉子，使兩個轉子朝同一方向旋轉。 研究團隊認為，與傳統齒輪相比，這種基於流體的齒輪方案具多項潛在優勢。紐約大學庫朗數學、計算與數據科學研究中心副教授 Leif Ristroph 表示，普通齒輪需經精確設計，確保齒輪良好咬合，任何缺口、間距誤差或微小異物均可能導致卡滯；而「流體齒輪」不存在這些問題，其轉速和旋轉方向還能實現傳統機械齒輪難以達到的調節方式。
