“跃动壳”无需外力即可定时起跳

原标题:“跃动壳”无需外力即可定时起跳

美国北卡罗来纳州立大学研究人员开发出一种“跃动结构”,可在无需计算机或外部刺激的情况下,在预设时间自动跳起。这种“跃动壳”(metashell)何时起跳、跳多高,完全由材料结构本身决定。相关研究于2日发表在《美国国家科学院院刊》上。

有些结构,比如被释放的弹簧,在移除压力后会立刻跳起。但研究人员想创造一种不依赖外部刺激,且可以提前设定起跳时间的结构。

此次设计的跃动壳能在数秒至数十小时内,按设定的“时钟”自动跳起。这种新型结构由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)构成,呈球形,由复杂的晶格样式连接在一起。这种结构能最大限度地提高其能量储存能力。

这项设计利用了PET的黏弹特性。当对跃动壳施加压力时,它会被压缩变形。当压力移除后,它不会立即恢复原状,而是缓慢“蠕变”回球形,直到达到一个临界点,然后瞬间释放能量,弹射至空中,完成跳跃。

值得注意的是,跃动壳的受力持续时间越长,结构达到临界点所需的时间也越长。

研究人员表示,这项技术的最终效果是,人们可以通过调整施加压力的时间,精确设定跃动壳的跳跃时间,同时也能控制其跳跃的高度,因为受力时间越长,跳得越低。

在测试中,研究人员成功实现了从3秒到58小时的预定跳跃时间。跃动壳的起跳高度最高可达自身高度的9倍,也可以低至自身高度的二分之一,具体取决于预设的跳跃延迟时间。这意味着这种结构不仅可以“定时起跳”,还能“按需跳高”。

团队还测试了跃动壳在多种表面的跳跃能力,如硬地、沙地、雪地和水面,即使在-15℃的低温环境中也能稳定跳跃。此外,他们受到自然界种子爆裂传播过程的启发,还能使跃动壳像凤仙花种子那样弹射出去。实验显示,一种直径100毫米的跃动壳,成功将“种子”分散到1.5米范围。

研究人员表示,这种无需外力、具备定时控制能力的结构,未来在环境监测、生物标志物投放、软体机器人等场景均有应用潜力。(记者张佳欣)

来源:科技日报

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