哈佛大学的科学家们开发出了一种“智能”液体。

科学家们开发出了一种具有可编程响应的元流体。

John A. 的科学家哈佛大学保尔森工程与应用科学学院 (SEAS) 开发了一种可编程元流体，具有可调节的弹性、光学特性、粘度，甚至能够在牛顿流体和非牛顿流体之间转换。

这种首创的偏荧光液体使用了微小橡胶球（50 至 500 微米之间）的悬浮液，这些橡胶球在压力下会弯曲，从根本上改变了液体的特性。 元流体可用于从液压执行器到可编程机器人、到可以根据冲击严重程度消散能量的智能减震器、到可以从透明到不透明的光学设备等各种应用。

该研究发表于 自然。

SEAS 材料科学和机械工程助理研究员、该论文的第一作者 Adel Jalouli 表示：“我们只是触及了这类新型流体的冰山一角。” “通过这个平台，你可以在很多不同的领域做很多不同的事情。”

元流体与固体

超材料（其特性由其结构而不是成分决定的工程材料）多年来已广泛应用于各种应用。 但大多数材料——例如 Federico Capasso 和 Robert L. 华莱士是芬顿海耶斯应用科学学院电气工程高级研究员，他是固体。

可调节光学器件，在荧光液下方显示有哈佛大学徽标。 图片来源：哈佛大​​学 SEAS

“与固体不同 超材料“隐喻流体具有独特的流动能力并适应其容器的形状，”SEAS 大学应用科学学院应用力学教授、该论文的主要作者 Katia Bertoldi 说。 “我们的目标是创造一种元流体，它不仅具有这些出色的属性，而且还提供了一个可编程粘度、可压缩性和光学特性的平台。”

使用 David A. 实验室开发的高度可扩展的制造技术。 作为SEAS的Mallinckrodt物理学和应用物理学教授Weitz，研究小组生产了数十万个这种高度可变形的充气球形胶囊，并将它们悬浮在硅油中。 。 当液体内部的压力增加时，胶囊会塌陷形成一个类似透镜的半球。 当压力消除后，胶囊就会恢复到球形。

元流体特性和应用

这种转变改变了流体的一些特性，包括粘度和不透明度。 这些特性可以通过改变液体中胶囊的数量、厚度和体积来调节。

研究人员通过将形而上学流体加载到液压机器人夹具中并让夹具拾取瓶子、鸡蛋和浆果来证明流体的可编程性。 在简单的传统气动或水力液压系统中，机器人需要某种外部传感器或控制装置，以便能够调整其抓地力并拾取三个物体而不压碎它们。

但对于元流体，就不需要传感了。 流体本身会响应不同的压力，改变其顺应性来调整手柄的力量，这样它就可以拿起一个沉重的瓶子、一个精致的鸡蛋和一个小浆果，而无需额外的编程。

“我们证明，我们可以使用这种液体为简单的机器人提供智能，”贾鲁利说。

该团队还展示了一种可以通过改变元流体来重新编程的流体逻辑门。

液体的光学性质和状态

当受到不同的压力时，元流体也会改变其光学特性。

当胶囊呈圆形时，它们会散射光线，使液体变得不透明，就像气泡使碳酸水呈现白色一样。 但当施加压力并且胶囊塌陷时，它们就像微小的透镜一样，聚焦光线并使液体透明。 这些光学特性可用于一系列应用，例如根据压力改变颜色的电子墨水。

研究人员还表明，当胶囊为球形时，元流体的行为类似于牛顿流体，这意味着其粘度仅随温度而变化。 然而，当胶囊塌陷时，悬浮液变成非牛顿流体，这意味着它的粘度会随着剪切力而变化——剪切力越大，它变得越具有流动性。 这是第一个被证明可以在牛顿和非牛顿状态之间转变的元流体。

接下来，研究人员的目标是探索超流体的声学和热力学特性。

“这些可扩展、易于生产的元流体的应用空间是巨大的，”贝尔托尔迪说。

参考文献：“可编程元流体的壳压痕”，作者：Adel Jalouli、Bert van Raemdonck、Yang Wang、Yi Yang、Anthony Caillaud、David Weitz、Shmuel Rubinstein、Benjamin Goersen 和 Katja Bertoldi，2024 年 4 月 3 日， 自然。
号码：10.1038/s41586-024-07163-z

哈佛大学技术开发办公室保护了与这项研究相关的知识产权，并正在探索商业化机会。

这项研究得到了 NSF 哈佛大学材料研究科学与工程中心的部分支持，资助号：DMR-2011754。