软物质材料，可以承受其形状的剧烈变化，做软机器人很有前景！

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软物质材料，如橡胶或聚合物，可以承受其形状的剧烈变化，在灵活性和变形能力至关重要的应用中很有希望。例如，这些材料可以用来制造适合于专门任务的软机器人，从可以在体内导航的医疗设备，到可以挤过小开口执行搜救任务的机器人。但为了给软机器人的运动或变形提供动力，研究人员经常使用需要物理连接到机器人上的致动器，这限制了它的实用性。


威斯康星大学麦迪逊分校机械工程教授斯蒂芬·鲁迪克说：这些致动器通常比机器人本身大得多。例如，有一个巨大的压缩空气罐，通过电缆连接到机器人上，用来给软材料充气，并为机器人提供动力。由鲁迪克领导的一个团队已经设计出了一种切断这条绳子的方法。其研究发表在《物理评论快报》期刊上，研究人员展示了一种利用磁场远程诱导软复合材料，将其内部结构重新排列成各种新模式的方法。


图示：外加磁场(蓝色)可以使嵌在软材料中的磁化粒子重新排列成新图案，通过利用这一现象，研究人员可以微调这种软材料。
研究表明，在一个相对简单的系统中，可以得到由磁场水平控制非常广泛的不同图案，包括仅靠机械加载不可能实现的图案，这一进步使科学家能够设计性能和功能增强的新型软材料。以这种方式调整材料精细内部结构的能力，使研究人员可以定制其物理属性，甚至可以根据需要打开和关闭不同的属性。由于利用磁场消除了对直接接触或令人讨厌的电缆的需求，新的软材料可能对医疗植入物等应用有用。


该研究团队与空军研究实验室的研究人员合作，使用一种柔软弹性材料演示并分析了新形成的图案。在软材料内部，研究小组以简单的周期性模式，嵌入了坚硬的可磁化材料的小颗粒。然后，研究人员对材料施加不同水平的磁场，这会导致磁化粒子重新排列，并在软材料内产生力和应力。从重新排列粒子中出现的新模式，从高度组织和重复的模式，到看似具有大规模秩序但在局部水平上杂乱无章的独特模式。


值得注意的是，可以调整磁场来产生所需的图案，并改变材料的性质，鲁迪克表示：很高兴能在更复杂的材料系统中进一步探索这一现象。弹性不稳定性会引发剧烈的微结构变化，导致软物质中的异常行为。受这一现象的启发，研究了软磁活性弹性体(MAE)复合材料在磁场作用下变形时失稳诱导图案的形成。具有周期性分布颗粒的相同MAE复合材料，可以随着不稳定性的发展，而转变为各种不同周期的新模式。


新形成的模式和后屈曲行为，是由外加磁场的大小决定。研究确定了在周期性粒子软软磁活性弹性体(MAE)复合材料中，当不稳定开始时，引起严格倍增周期的磁场特定能级。因此，预测的现象有可能用于设计新型的可重构软材料，使其具有可调材料微结构，并可由磁场远程控制。
博科园｜研究/来自：威斯康星大学麦迪逊分校
参考期刊《物理评论快报》
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