常见的拉动木偶玩具，通常呈现动物或流行角色的形状，可以通过底座上的一个简单按钮进行移动或折叠。最近，加州大学洛杉矶分校(UCLA)的一组工程师开发了一种新型可调动态材料，复制了拉动木偶的操作方式。这项创新在软机器人、可适应建筑和空间工程等领域具有潜在应用。
形状为动物和流行角色的常见拉动木偶玩具，可以通过玩具底座上的按钮进行移动或折叠。现在，UCLA的一组工程师创造了一种新型的可调动态材料，模仿了拉动木偶的内部结构，具有软机器人、可重构建筑和空间工程的应用。
在拉动木偶内部，有一些绳索，当它们被拉紧时，可以保持玩具直立。当这些绳索松开时，木偶的“肢体”会变得松弛。通过应用这种绳索张力机制，研究人员开发出一种创新型超材料——专门设计用来具备独特能力的材料。
根据发表在Materials Horizons的研究，这种新的轻质超材料具有电机驱动或自激活的绳索，穿过互锁的锥形珠子。当这些绳索被激活时，它们会收紧，导致珠链堵塞并对齐成一条直线，这使材料变得坚硬，同时保持其整体形状不变。
研究还强调了这种材料的可适应特性，这可能使其在软机器人和其他可重构结构中的应用成为可能：
- 绳索的张力允许对材料的硬度进行“调节”。当绳索完全拉紧时，结构处于最强状态，但稍微调整张力可以让材料弯曲，同时仍然坚固。这种适应性是由于嵌套锥的精确形状及其摩擦造成的。
- 采用这种设计制造的结构可以反复折叠和加固，使它们非常适合用于需要连续运动的长期设计。此外，该材料在其软塌状态下更容易运输和储存。
- 在部署后，该材料显示出显著的可调性，刚度增加了35倍，阻尼特性改变了50%。
- 这种超材料还可以被创建为触发其自身激活，利用人工腱以不需要人工干预的方式改变形状。
“我们的超材料开辟了新的可能性，展示了其在机器人、柔性结构和空间技术中的潜在应用，”UCLA Samueli工程学院的通讯作者、博士后学者Yan Wenzhong解释道。“使用这种材料的自部署软机器人可以根据不同地形调整其肢体刚度，从而增强其运动能力，同时保持整体形状。此外，一种坚固的超材料可以帮助机器人在举起、推动或拉动物体时。”
Yan补充说：“收缩绳索超材料的概念为将机械智能整合到机器人和其他设备中的迷人进展铺平了道路。”
展示该超材料的短视频可在UCLA Samueli YouTube频道查看，时长为12秒。
该研究的高级作者包括安库尔·梅赫塔（Ankur Mehta），他是UCLA电气与计算机工程的副教授，也是嵌入式机器和普适机器人的实验室主任，Yan是团队成员，乔纳森·霍普金斯（Jonathan Hopkins）是机械与航空工程教授，领导UCLA的柔性研究小组。
研究团队认为，该材料的潜在用途可以扩展到具有可折叠脚手架的自组装庇护所，以及用于通过复杂地形的车辆的具有可编程阻尼的紧凑型减震器。
梅赫塔表示：“未来，通过修改珠子的大小和形状以及它们之间的连接，探索定制和能力增强的潜力非常重要。”他还在UCLA担任机械与航空工程的教职。
尽管之前的研究已关注收缩绳索，但本研究专注于系统的机械特性，如用于对齐的最佳珠子形状、自组装及其保持结构完整性的能力。
其他参与该研究的人员包括来自UCLA机械工程项目的研究生塔尔梅奇·琼斯（Talmage Jones）和瑞安·李（Ryan Lee），他们是霍普金斯实验室的成员，以及喬治亞理工學院的克里斯托弗·賈维茨（Christopher Jawetz），他在UCLA攻读航空工程本科期间参与了这项研究。
该研究得到了海军研究办公室和国防高级研究计划局的支持，并得到了空军科学研究办公室的额外支持，以及UCLA先进研究计算办公室的资源。
