让仿生机器人栩栩如生

工程师们越来越渴望开发模仿动物和生物有机体行为的机器人，其适应性、弹性和效率经过数百万年的进化得到了完善。

为了将仿生机器人变为现实，科学家必须首先创造出与生物组织的柔软度和功能相匹配的软物质对应物。内布拉斯加大学林肯分校工程师 Eric Markvicka 处于这些努力的最前沿。他最近从美国国家科学基金会的教师早期职业发展计划获得了一笔为期五年、价值 69 万美元的资助，用于推进制造方法的工作，该方法将生产出一种新型材料，从而推动软机器人、可拉伸电子产品等领域的发展。

这将是第一个生产液态金属与各种固体颗粒添加剂的稳定混合物的制造策略，以实现增强的性能 - 包括热和电导性，流动性和自我修复能力 - 超过当今市场上的任何产品。

该复合材料将适用于增材制造(通常称为 3D 打印)，并将加速 4D 打印的发展势头，4D 打印生产的机器可以变形以适应不同的环境。

“在这个项目结束时，我们将制定一个制造策略，用于创建适合增材制造的多种液态金属混合物，”机械和材料工程助理教授 Markvicka 说。 “这种能力将使混合 4D 增材制造的新材料工程成为可能，我们可以创造出许多东西，从机器人到机器，最终模仿生物有机体。”

科学家们早就认识到液态金属的商业潜力，与其他弹性体或流体相比，液态金属可提供无限的机械失效应变并增强导热性和导电性。它们还具有自我修复的能力，类似于许多自然有机体：马克维卡之前的工作表明，由液态金属滴形成的电路可以在损坏发生后重新配置。

为了进一步增强这些特性，研究人员尝试在液态金属中添加固体颗粒。但这些努力遇到了两个主要障碍。其一，大多数液态金属品种都包括镓，它是元素周期表上活性最高的金属之一。许多添加剂，例如铜或铝，与镓发生反应，使混合物从液体转变为固体，从而损害了流体优势。

当添加剂不与镓反应时，就会出现不同的问题。固体颗粒被液态金属的高表面张力形成的薄氧化层包裹着。该层允许颗粒融入金属中，但在此过程中会形成空气空隙。这些空隙在较高温度下会膨胀，从而降低材料的导热率。

马克维卡的策略通过在添加剂颗粒上添加中间层或涂层来解决这两个问题。这种纳米级层具有双重用途：对于与镓形成合金或混合的颗粒，它充当腐蚀屏障，阻止会降低流动性的反应。对于非合金颗粒，该层充当润湿剂，使材料能够融入液态金属而不形成空气空隙。

马克维卡是全国少数正在探索在液态金属混合物中使用涂层的研究人员之一。如果成功，该方法将使工程师能够制造具有特定物理、化学和流变特性的定制液态金属混合物。

“很少有人采用这种界面工程方法，不仅在所结合的腐蚀屏障方面保护填料，而且还开发了吸收不会反应润湿的颗粒并将其结合的能力，”他说。

马克维卡还将通过强调该领域的技术方面和商业方面来推进工程教育的新领域。这种“创业”方法将创业素养与基于研究的教育融为一体。

“我们提供基础和专业技术课程的组合;然而，在设计或创造新产品时，我们很少讨论经济影响或市场可行性，”他说。 “在瞬息万变的就业市场中，了解创业过程的工程师能够更好地抓住机会，并在不确定和复杂的情况下取得成功。”

配合内布拉斯加州促进竞争性研究的既定计划，Markvicka 将开发首个制造业移动科学实验室，该实验室将整合其研究概念和创业技能。该实验室将分发给内布拉斯加州各地的初中和高中学生。Markvicka 将与中学教师合作，帮助他们将移动实验室融入课堂。

在校园内，Markvicka 会将基于创业的模块整合到传统的工程课程中，确保更广泛的学生接触到创业原则。

“这不仅仅适合那些有兴趣创办公司或为初创公司工作的人，”他说。 “这些技能对于工业界工作人员也很重要。他们需要知道如何开始审查和了解一个想法在商业上是否可行。”

美国国家科学基金会的职业奖旨在支持那些通过杰出的研究、卓越的教育以及教育与研究的融合体现教师学者角色的准终身教职人员。

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