含羞草是一種有靈性的植物，它的葉片對觸碰、溫度都十分敏感。外部刺激可以改變含羞草葉片內(nèi)部的水分分布，導(dǎo)致細(xì)胞收縮膨脹，進(jìn)而影響其開合。如今，世界上有了一種特殊的“含羞草”，控制它開合的不是觸碰，而是磁場。這種“含羞草”也不是植物，而是由我國科學(xué)家研發(fā)的新型金屬玻璃制成。
近日，中國科學(xué)院物理研究所科研團(tuán)隊在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)進(jìn)展》上發(fā)表論文，介紹了這種“金屬含羞草”。它由金屬玻璃和其晶化物組成的復(fù)合材料制成，具有屈曲功能，三維結(jié)構(gòu)可開合。該論文作者，中國科學(xué)院物理所研究員白海洋告訴科技日報記者，這項(xiàng)被論文評審人稱贊為“富有創(chuàng)造力”的成果，出發(fā)點(diǎn)其實(shí)是科研人員“玩出來”的靈感。
(資料圖片僅供參考)
仿生是研究的交匯點(diǎn)
白海洋注意到，航天事業(yè)對可以自動開合的、平板式運(yùn)輸?shù)牟牧嫌鞋F(xiàn)實(shí)需求。如果容器或裝置可以在太空中自主開合，將大大有助于太空運(yùn)輸以及航天員作業(yè)?；谶@一設(shè)想，白海洋及其團(tuán)隊對可以自動開合、變形的材料進(jìn)行了探索。
在這一過程中，科研人員并沒有固守思維定式，把金屬材料制品的形狀局限在盒子等容器的范圍內(nèi)，而是充分嘗試了植物、動物等其它形狀。這樣的嘗試又進(jìn)一步給了研究者靈感，讓研究者獲得了許多新啟發(fā)。
“‘仿生’并不是我們研究的出發(fā)點(diǎn)，而是我們在探索過程中找到的交匯點(diǎn)。這個交匯點(diǎn)給了我們新的靈感。”白海洋說。
在機(jī)械等領(lǐng)域，仿生是一個熱門概念。但在以機(jī)器人研究為代表的大多數(shù)科研工作中，仿生的對象都是運(yùn)動能力較強(qiáng)的人或動物，而非相對靜態(tài)的植物，金屬材料的“植物動態(tài)仿生”研究可謂別出心裁，具有很強(qiáng)的獨(dú)創(chuàng)性和探索性。
類似真正含羞草的開合原理
“金屬含羞草”如何開合？白海洋和她的學(xué)生李金鳳給記者做了演示：只要拿一塊磁鐵靠近“金屬含羞草”的中部，它就會自動閉合，把磁鐵拿開，“含羞草”又會張開。
“金屬含羞草”由金屬玻璃和其晶化物復(fù)合制成。金屬玻璃又稱非晶合金，是能實(shí)現(xiàn)形狀可逆變化的新型功能材料，具有優(yōu)異的力學(xué)性能。在經(jīng)過激光圖案化技術(shù)誘導(dǎo)處理之后，金屬玻璃發(fā)生了局部晶化，晶化區(qū)的密度和模量相對增大，使得金屬玻璃區(qū)和晶化區(qū)之間產(chǎn)生相應(yīng)的尺寸錯配，導(dǎo)致內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，從而發(fā)生屈曲現(xiàn)象。這種屈曲現(xiàn)象是可逆的、在彈性范圍內(nèi)的。由于是鐵磁性材料，它會被磁棒吸引從而產(chǎn)生開合動作。從原理來說，這和真正的含羞草葉片開合的原理是十分相似的。
研究團(tuán)隊在實(shí)驗(yàn)室還對新材料的性能進(jìn)行了測試。他們發(fā)現(xiàn)，在彈性極限內(nèi)，鐵基金屬玻璃三維屈曲結(jié)構(gòu)的形狀變換由外部磁力控制可重復(fù)開合，甚至還可以通過外力重新成形或翻轉(zhuǎn)。這種仿生三維結(jié)構(gòu)被磁力控制連續(xù)開合至少2萬次，且不會出現(xiàn)明顯的疲勞裂痕。
或可在多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用
在各種醫(yī)療場景中，人們有時會需要一些具有伸縮功能的器件。例如血液過濾時在血管當(dāng)中收納垃圾的器件，就需要具備伸縮功能，方便醫(yī)療人員放置和取出。為此，人們采用可以隨溫度變形的相變合金，這種金屬經(jīng)加溫處理可以收縮或膨脹，但加溫往往需要達(dá)到上百攝氏度。
“如果用磁場控制的金屬玻璃取代相變合金，加溫對患者可能造成的傷害就不存在了，醫(yī)療人員的操作也會變簡單。我們的‘金屬含羞草’就可以用于此領(lǐng)域。”白海洋介紹說。
白海洋補(bǔ)充說，除了血管過濾器，這種金屬玻璃還可以用來制作血管支架、微夾持器等器件。此外，新材料還可以用于傳感器制造。
近年來，材料的三維結(jié)構(gòu)形狀變換在驅(qū)動器、傳感器、電感器、微電子機(jī)械系統(tǒng)、軟體機(jī)器人、電子、醫(yī)療和航天器件等方面展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。金屬玻璃的三維結(jié)構(gòu)研究已經(jīng)受到廣泛關(guān)注，但金屬玻璃仿生三維屈曲結(jié)構(gòu)的形狀變換尚有很大的開發(fā)空間。
白海洋總結(jié)說，此次研究對開發(fā)金屬玻璃的功能性應(yīng)用具有重要的科學(xué)和技術(shù)意義，對實(shí)現(xiàn)金屬材料的三維屈曲結(jié)構(gòu)也具有啟發(fā)和指導(dǎo)意義。“仿生”并不是研究的起點(diǎn)，也并非落點(diǎn)，卻給金屬材料的功能性研究帶來了許多啟發(fā)。這株“含羞草”可以拋磚引玉，一定程度上拓展金屬材料的應(yīng)用空間。
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