液體都有“智能”、可編程了？

最近，一種被稱為“智能"液體的多功能可編程的新型超材料——Metafluid，登上了Nature。

它由哈佛大學(xué)SEAS的研究團(tuán)隊研發(fā)，據(jù)說可自由調(diào)節(jié)彈性、光學(xué)特性、粘度。

甚至能夠在牛頓流體和非牛頓流體之間轉(zhuǎn)換。

研究人員表示，有了這些buff屬性加成，該流體在編程液壓機(jī)器人、智能減震器、光學(xué)設(shè)備中都有巨大的應(yīng)用潛力。

可編程的“智能液體”

為什么說可用于編程液壓機(jī)器人等技術(shù)？奧秘就在這張圖中：

來看研究人員的展示。

研究人員設(shè)計了一個抓取器，用空氣和水作對照，通過抓取玻璃瓶、鵪鶉蛋、藍(lán)莓，來表現(xiàn)Metafluid對抓取器具有彈性控制能力的原理。

裝置如下圖，一個注射器從一頭注入，另一頭的注射器受壓力驅(qū)動“抓手”：

注入空氣量相同的情況下，玻璃瓶剛好能抓穩(wěn)，鵪鶉蛋和藍(lán)莓直接被壓爛。

注入水量相同的情況下，玻璃瓶剛好能抓穩(wěn)，鵪鶉蛋和藍(lán)莓這邊又壓力太小碰都碰不到：

也就是說，使用空氣和水都很難找到一個供給體積ΔV能夠成功抓取三種物品。

而這種Metafluid，可以明顯找到一個能成功抓取三樣物品的ΔV，可適應(yīng)不同物體的大小和所需的抓取力度：

下面這個實驗，將Metafluid的彈性可壓縮更直觀的表現(xiàn)了出來，壓力影響下，甘油很快就把軟管撐起了一個大包，而Metafluid的臨界點顯然還要靠后一些：

而且它的黏性和流動性也會發(fā)生變化：

那這種流體是怎么做出來的？為何會有這些屬性？

原來是“球球大作戰(zhàn)”

眾所周知，超材料是一種人造材料，其特性由其結(jié)構(gòu)而不是成分決定。傳統(tǒng)上，大多數(shù)超材料都是固態(tài)的，即構(gòu)建塊被布置在晶格結(jié)構(gòu)內(nèi)的固定位置。

最近有些研究認(rèn)為將不相連的構(gòu)建塊混合在流體介質(zhì)中具有巨大潛力。哈佛研究人員正是受到了這種研究思路的啟發(fā)，制出了Metafluid。

經(jīng)過一系列展示，想必有人也已經(jīng)猜到了，構(gòu)建Metafluid的關(guān)鍵，是一種可高度變形的彈性空心球形膠囊。將球形膠囊混合到不可壓縮的懸浮液中，Metafluid就制成了。

原理簡單來講，就是當(dāng)液體內(nèi)部的壓力增加時，膠囊屈曲，也就是塌陷形成類似透鏡的半球狀。

△膠囊屈曲后在流體中的流動現(xiàn)象

當(dāng)那個壓力被移除時，膠囊會彈回到它們的球形狀態(tài)，由此改變液體粘度和透明度等屬性，而膠囊的數(shù)量、厚度和大小也會有影響。

△去除壓力膠囊還原成球形狀態(tài)

具體來說，研究人員先是制作了兩種規(guī)模的膠囊：厘米級和微米級。

其中厘米級膠囊使用硅橡膠材料，通過3D打印模具來制作。

也有兩個size：

• 小膠囊：外半徑（Ro）為10毫米，殼體厚度（t）為2毫米。
• 大膠囊：外半徑（Ro）為30毫米，殼體厚度（t）為6毫米。

微米級膠囊使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）材料，采用微流控共軸流聚焦技術(shù)制造，外半徑（Ro）約為250微米，殼體厚度（t）約為65微米。

然后，研究人員使用厘米級膠囊進(jìn)行了單膠囊、多膠囊實驗，此外還進(jìn)行了微米級膠囊實驗。

厘米級膠囊實驗中，研究人員將膠囊放置在一個玻璃圓柱容器中，容積為Vtot，并用水作為懸浮液完全填充。之后用注射泵慢慢引入額外的水ΔV，通過差壓傳感器測量容器內(nèi)的壓力。

他們先分別用單個的厘米級小膠囊和大膠囊做了實驗。

將單個小膠囊放入容積300ml的容器中。他們觀察到的壓力-體積曲線與水相比有顯著差異，不僅因為膠囊增加了流體的可壓縮性，還因為在臨界壓力Pcr=120kPa處出現(xiàn)了明顯的壓力下降。

這一下降正是由膠囊彈性殼體的突變形引起，隨著ΔV的增加，形成的凹陷更為明顯。當(dāng)ΔV減少時，凹陷逐步減小，并且當(dāng)壓力下降至臨界壓力Pdown=50kPa時，膠囊會彈性回復(fù)至球形，產(chǎn)生滯后效應(yīng)。

如下圖c紅線所示，單個大膠囊實驗中，在較低的初始體積模量（K0=18 MPa）下，在P=120kPa處仍然出現(xiàn)了壓力下降。這也就意味著Metafluid的初始體積模量和臨界壓力可以通過改變膠囊體積分?jǐn)?shù)和膠囊殼厚度與外半徑的比值來分別獨立調(diào)整。

接下來，研究人員在更大的容器中填充27個小膠囊，保持膠囊體積分?jǐn)?shù)和殼體厚度與外半徑比值不變。如上圖c綠線，實驗顯示所有膠囊在臨界壓力附近同時發(fā)生屈曲，但與單個膠囊相比，壓力突降被多個小的突降所取代，形成了壓力平臺。

微米級膠囊實驗中，懸浮液改為硅油。

微米級膠囊懸浮液的壓力-體積曲線顯示出與厘米級膠囊相似的非線性行為，但由于制造過程中的幾何缺陷，微尺度膠囊的Metafluid沒有那么明顯的平臺現(xiàn)象。

△球形膠囊在流體中的流動現(xiàn)象

研究人員還研究了膠囊屈曲對Metafluid光學(xué)特性的影響。他們使用COMSOL軟件進(jìn)行光線追蹤模擬，發(fā)現(xiàn)球形和屈曲狀態(tài)的膠囊顯示出不同的散射行為。

實驗中，他們測量了通過微米級膠囊懸浮液傳輸?shù)墓夤β?，并發(fā)現(xiàn)在膠囊屈曲時，透射率顯著增加。這種變化歸因于膠囊屈曲造成的“透鏡效應(yīng)”和膠囊覆蓋面積的減少。

此外，研究人員還探討了膠囊屈曲對Metafluid流變性的影響。他們使用平行板流變儀來測量Metafluid在不同膠囊狀態(tài)下的粘度。

結(jié)果表明，當(dāng)膠囊處于球形狀態(tài)時，Metafluid表現(xiàn)出牛頓流體的特性，而當(dāng)膠囊屈曲時，Metafluid轉(zhuǎn)變?yōu)榉桥ｎD剪切稀化流體。

△膠囊屈曲后形成聚集體

這種轉(zhuǎn)變歸因于膠囊屈曲后形成的聚集體，這些聚集體在高剪切率下會逐漸破裂。

研究人員表示接下來還計劃探索這種Metafluid的聲學(xué)和熱力學(xué)屬性：

這種可擴(kuò)展、易于生產(chǎn)的Metafluid的應(yīng)用空間是巨大的。

我們的探索還停留在表面。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07163-z