新型超材料可储存160倍的能量，为更智能的机器人铺平道路

研究人员已经开发出一种改变游戏规则的材料，可以极大地影响机器人和节能技术。

人类的进步一直依赖于有效储存和释放能量的能力。

弹簧、缓冲器和能量阻尼材料为从工业机器到未来机器人的四肢提供动力。

现在，卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）的科学家们取得了一项突破，将储能技术推向了一个新的水平。

他们开发了一种新型的机械超材料 —— 一种人工设计的结构，它比以往任何时候都更有效地储存和释放弹性能量。

这一创新可能会在节能机器人、机械系统和柔性结构方面取得重大进展，在保持强度和耐用性的同时最大限度地利用能源。

这些材料使用一种独特的扭曲杆结构，以螺旋形状变形，使它们能够吸收和释放大量的弹性能量。

通过利用这种新颖的设计，研究人员创造了一种结合了高刚度、高强度和特殊灵活性的材料。

什么是机械超材料？

超材料是一种特殊的工程材料，被设计成具有自然界中不存在的特性。

它们是通过精确地排列微小的结构元素来创造具有增强机械性能的材料。

在这种情况下，KIT的研究人员开发了一种机械超材料，由紧密扭曲并以特定模式排列的杆制成。

通常，当弹簧弯曲时，应力会在其顶部和底部表面积聚，从而导致断裂或永久变形。

然而，扭转而不是弯曲一根杆，将应力更均匀地分布在其表面。这意味着它可以储存更多的能量而不会损坏。

KIT应用材料研究所（IAM）材料力学教授Peter Gumbsch解释说：“难点在于结合高刚度、高强度和大可恢复应变等相互矛盾的特性。”

通过仔细地将这些扭曲的棒排列成一个结构化的网络，科学家们创造了一种比传统材料储存更多能量的材料，同时保持了强度和硬度。

设计具有最大弹性的材料

Gumbsch和他的团队，包括来自中国和美国的研究人员，成功地将这一概念转化为功能超材料。

“首先，我们发现了一种机制，可以在一个简单的圆棒中储存大量的能量，而不会破坏它或使它永久变形，”Gumbsch说。

“通过定义棒的巧妙排列，我们将这种机制集成到超材料中。”

通过以精确的方式排列杆，研究人员创造了一种可以拉伸或压缩的材料，同时仍能恢复其原始形状。

计算机模拟预测，这种超材料将具有很高的刚度，可以承受很大的力。

他们的测试证实，这种材料的能量储存能力或焓比其他已知的超材料高出2到160倍。

未来在机器人和能源存储方面的应用

这种新型材料的潜在用途是巨大的。Gumbsch说：“我们的新型超材料具有高弹性能量存储能力，未来有可能在需要高效能量存储和特殊机械性能的各个领域得到应用。”

机器人可以变得更加灵活和耐用，这得益于这种材料的拉伸和恢复能力，而不会断裂。

此外，节能机器可以更有效地存储和释放能量，提高整体性能。

另一种可能性是利用超材料内部的扭曲机制来制造纯弹性关节，从而消除对传统铰链的需求，并改善机器人四肢和可穿戴外骨骼的运动。

有了这些进步，机械超材料可以为更强大、更高效、更持久的技术铺平道路。

这项研究发表在《自然》杂志上。

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