平纹带(新机制让弹性能-动能转化过程更高效)

Posted 2023-05-25

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平纹带(新机制让弹性能-动能转化过程更高效)

利用高速成像技术，马萨诸塞大学阿姆赫斯特分校的Alfred J.Crosby等测试了“橡皮筋聚合物”的反冲运动。

以低能量损失完成高速、高能脉冲任务，捕蝇草和巨颚蚁是这方面的行家。现在，美国马萨诸塞大学阿姆赫斯特分校的材料科学家们，也能做到了——他们发现了一种机制，可以有效地将弹簧的弹性能量转化为动能，用于完成高加速度、极速运动。

相关研究成果于9月2日刊登于《物理评论快报》杂志中。

论文第一作者Xudong Liang和高级研究员Alfred J.Crosby表示，在人造系统和大部分自然系统中，一种形式的能量转化为另一种形式的能量通常意味着能量的大量耗损。Crosby说：“能量形式转化的成本总是很高。在转化过程中，大部分能量都损失掉了。但我们已经发现至少存在一种有效机制，能够逆转局面。”

利用高速成像技术，Liang和Crosby详细地测试了多种橡皮筋聚合物的反冲运动和断裂行为。其运动过程中的加速度和速度，与许多自然生物系统相似。Crosby说：“我们的研究显示，弹簧内部的几何结构在增强高能运动的能量转换过程中，扮演着重要角色。”

Liang在实验中发现，高能效结构的秘密在于椭圆孔型。他说：“没有孔，聚合物只会拉伸。有孔之后，材料的某些部分就会出现转变。”平纹带在拉伸和反冲时，储存的能量只有不到70%能够用于高功率运动，其余的就白白损失了。相比之下，椭圆孔使平纹带转化成了能通过旋转产生运动的机械超材料。”

Liang等证实，对于超材料，超过90%的储能可以被用于驱动运动。Crosby说：“弯曲形态可以用更少的能量完成同样的运动。因此，通过调整孔洞模式，我们可以设计出内弯带，让它变得高效。我们的研究表明，调控结构能够改变材料性质。虽然已经有学者从事了这方面的研究，但我们在高速运动和弹性能量-动能转换领域将它推进了。”

Liang和Crosby希望他们的研究进展能够有助于设计高效、快速的动力机器人系统。Liang说：“现在，我们可以向其他学者交付一些机器人弹簧结构的设计方案。我们认为，新理论为研究人员看待生物学打开了新思路。”

编译：德克斯特审稿：西莫责编：陈之涵

期刊来源：《物理评论快报》

期刊编号：0031-9007

原文链接：https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-09/uoma-hti090320.php

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