科学家造出会“自己动”的磁力灯

美国北卡罗来纳州立大学的研究团队最近开发出一种新型的弹性结构——‘智能灯笼’，它本身具有两种稳定形状，可以在特定条件下迅速切换形态。这种基本结构在自然状态下呈灯笼状，当从顶部施加压力压缩时，它会逐渐变形，直到达到某个临界点，突然‘弹跳’变成类似陀螺的第二种稳定形状。在这个过程中，压缩所用的能量被储存在结构中。一旦开始向上拉伸，储存的能量会瞬间释放，使结构迅速恢复成原来的灯笼形状。

研究团队还发现，通过给结构施加扭转、折叠顶部或底部的刚性条带，或者结合这些操作，可以创造出更多不同的稳定形态。有些结构能在两个稳定状态之间来回切换，而有一种甚至能拥有四种稳定的形态，具体取决于是否同时进行压缩和扭转。这意味着这种‘灯笼单元’具备‘多稳态’特性，为设计多功能机械装置提供了可能。

为了实现远程控制，研究人员在灯笼底部贴上了一层薄磁膜，这样就可以用外部磁场来操控它的压缩或旋转动作。他们展示了多个实际应用场景：比如一个温和的磁力夹子，可以无伤害地抓取和释放鱼类；一种能在水下自动开合的流量控制过滤器；还有一个紧凑结构，在需要时能迅速向上展开，用于重新打开塌陷的管道。

为了让设计更精准，研究团队还建立了一个数学模型，用来预测每个角度的几何形状如何影响最终形态以及能量储存情况。这个模型使得研究人员可以‘编程’设计出所需形状，控制其稳定性，并调节能量释放时的力度。这些能力对于开发能执行特定任务的智能结构至关重要。

研究人员表示，未来这些灯笼单元可以组装成二维或三维结构，广泛应用于可变形机械超材料和软体机器人领域。这项研究成果已于2023年10月10日发表在《自然·材料》期刊上，项目得到了美国国家科学基金会的资助。