无人机能够使用液态金属变形和弯曲。信用:弗吉尼亚理工大学想象一辆小型自动驾驶汽车，它可以在陆地上行驶，停下来，然后把自己变成四轴飞行器。转子开始旋转，车辆飞走。仔细看，你认为你会看到什么？是什么机制导致它从陆地车辆变成了飞行的四轴飞行器？你可能会想象齿轮和皮带，也许是一系列微小的伺服电机，将所有零件拉到位。如果这个机构是由弗吉尼亚理工大学机械工程助理教授迈克尔·巴特利特领导的团队设计的，你会看到一种在材料层面改变形状的新方法。这些研究人员使用橡胶、金属和温度来变形材料，并在没有电机或滑轮的情况下将它们固定到位。该团队的工作已经发表在《科学机器人学》上。论文的合著者包括研究生黄哲瑜和爱德华·巴伦三世以及博士后研究员塔希杜尔·哈克。
进入状态
自然界中充满了通过改变形状来实现不同功能的生物。章鱼戏剧性地改变了移动、进食和与环境互动的方式；人类弯曲肌肉来支撑负荷和保持形状；植物一整天都在移动捕捉阳光。你如何创造一种材料来实现这些功能，使新型多功能变形机器人成为可能？
巴特利特说:“当我们开始这个项目时，我们想要一种可以做三件事的材料:改变形状，保持那个形状，然后回到最初的配置，并在许多周期内这样做。“挑战之一是创造一种材料，它足够柔软，可以显著改变形状，但又足够坚硬，可以创造出能够执行不同功能的适应性机器。”
迈克尔·巴特利特实验室的多功能自主变形无人机。信用:弗吉尼亚理工大学。为了创造一个可以变形的结构，研究小组求助于日本剪纸艺术kirigami。(这种方法不同于折纸，折纸使用的是折叠。)通过观察橡胶和复合材料中基里加米图案的强度，该团队能够创建重复几何图案的材料架构。
接下来，他们需要一种可以保持形状的材料，但允许根据需要擦除该形状。在这里，他们介绍了一种内骨骼，由低熔点合金(LMPA)制成，嵌在橡胶表皮内。通常，当金属被拉伸得太多时，金属会永久弯曲、破裂或拉伸成固定的、不可用的形状。然而，随着这种特殊的金属嵌入橡胶中，研究人员将这种典型的失效机制转化为一种强度。当拉伸时，这种复合材料将迅速保持所需的形状，非常适合可以立即承重的柔软变形材料。
最后，材料必须将结构恢复到原来的形状。在这里，研究小组在LMPA网旁边安装了柔软的卷须状加热器。加热器使金属在60摄氏度(140华氏度)，即铝熔化温度的10%下转化为液体。弹性体外皮将熔化的金属保持在适当的位置，然后将材料拉回到原始形状，扭转拉伸，使复合材料具有研究人员所说的“可逆塑性”。金属冷却后，再次有助于保持结构的形状。
Edward Barron、Michael Bartlett和Dohgyu Hwang拿着一块已经扭曲的材料。荣誉:弗吉尼亚理工大学的亚历克斯·帕里什。“这些复合材料有一个嵌入橡胶中的金属内骨架，并带有软加热器，其中由kirigami启发的切口定义了一系列金属梁。这些切割加上材料的独特性能对变形、快速固定形状、然后恢复到原始形状非常重要，”黄禹锡说。
研究人员发现，这种受kirigami启发的复合设计可以创造复杂的形状，从圆柱体到球体，再到辣椒底部的凹凸形状。形状的改变也可以很快实现:用球撞击后，形状在不到1/10秒的时间内改变并固定到位。此外，如果材料断裂，可以通过熔化和改造金属内骨架多次愈合。
一架无人机用于陆地和空中，一架用于海上
这项技术的应用才刚刚开始。通过将这种材料与机载动力、控制和马达相结合，该团队创造了一种功能性无人机，可以从地面车辆自动变形为空中车辆。该团队还制造了一艘小型可展开潜艇，利用材料的变形和返回，通过沿着底部刮擦潜艇的腹部来从水族馆中取回物体。
“我们对这种材料为多功能机器人带来的机会感到兴奋。这些复合材料足够坚固，可以承受来自马达或推进系统的力，但也可以很容易地塑造形态，这使得机器能够适应它们的环境，”巴伦说。
展望未来，研究人员设想变形复合材料将在新兴的软机器人领域发挥作用，以创造能够执行各种有趣操作的机器，在受损后自我修复以提高弹性，并激发人机界面和可穿戴设备中的不同想法。
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