人造軟表面可自主模仿自然形狀 研究發(fā)表在《自然》雜志上

美國(guó)杜克大學(xué)工程師已開(kāi)發(fā)出一種可伸縮的柔軟表面，其可不斷地自我重塑，以模擬自然界中的物體。依靠電磁驅(qū)動(dòng)、機(jī)械建模和機(jī)器學(xué)習(xí)形成新的構(gòu)型，該人造表面甚至可學(xué)習(xí)適應(yīng)破碎的元件、意外的約束或變化的環(huán)境等障礙，未來(lái)或可應(yīng)用于柔性機(jī)器人、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、仿生材料和特定主題的可穿戴設(shè)備。這項(xiàng)研究發(fā)表在21日的《自然》雜志在線版上。

研究人員表示，此次的表面是可編程的，配備了設(shè)計(jì)好的活性元件的柔軟表面可在幾個(gè)形狀之間變換形狀，就像一張折紙，對(duì)光、熱或其他刺激的觸發(fā)作出反應(yīng)。

為了創(chuàng)造這樣的表面，研究人員首先布置了一個(gè)橫梁網(wǎng)格，由一層薄薄的金層制成，包裹著一層薄聚合物。單個(gè)梁只有8微米厚，大約是棉纖維的厚度，寬度不到1毫米。它們十分輕盈，磁力可很容易、快速地使其變形。

為了產(chǎn)生局部力，該表面被置于一個(gè)低水平的靜態(tài)磁場(chǎng)中。電壓變化沿著金色網(wǎng)格產(chǎn)生復(fù)雜但易于預(yù)測(cè)的電流，從而驅(qū)動(dòng)網(wǎng)格的平面外移。

研究人員稱(chēng)，這是第一個(gè)速度足夠快的人造軟表面，可準(zhǔn)確地模擬自然界中連續(xù)的變形過(guò)程。一個(gè)關(guān)鍵的進(jìn)步是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，它實(shí)現(xiàn)了電輸入和所產(chǎn)生的形狀之間不尋常的線性關(guān)系，從而很容易弄清楚如何施加電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)各種各樣的目標(biāo)形狀。

新的“超構(gòu)表面”展示了一系列變形和模仿技能。它創(chuàng)造的凸起在表面上上升和移動(dòng)，就像毯子下的貓?jiān)噲D找到出路一樣。有了監(jiān)控變形表面的攝像頭，超構(gòu)表面也可自己學(xué)習(xí)重新創(chuàng)造形狀和圖案。通過(guò)緩慢地調(diào)整施加的電壓，學(xué)習(xí)算法接受3D成像反饋，并計(jì)算出不同的輸入對(duì)變形表面的形狀有什么影響。

由于表面能通過(guò)試錯(cuò)來(lái)自學(xué)，它也能適應(yīng)損壞、意外的物理限制或環(huán)境變化。在一次實(shí)驗(yàn)中，它很快學(xué)會(huì)了模仿鼓起的土堆，盡管它的一根橫梁被切斷了。另一次實(shí)驗(yàn)中，盡管網(wǎng)格的一個(gè)節(jié)點(diǎn)上被施加了重量，但它還是設(shè)法模仿出類(lèi)似目標(biāo)的形狀。

展望未來(lái)，研究人員希望創(chuàng)建具有集成形狀感知功能的機(jī)器人超曲面，以執(zhí)行對(duì)自然界復(fù)雜、動(dòng)態(tài)表面的實(shí)時(shí)形狀模擬，如水波、魚(yú)鰭或人臉。該實(shí)驗(yàn)室還考慮在原型中嵌入更多組件，如車(chē)載電源、傳感器、計(jì)算資源或無(wú)線通信功能。(科技日?qǐng)?bào)實(shí)習(xí)記者 張佳欣)

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