一项新的研究挑战了传统的软体机器人设计方法，并利用计算机算法的力量设计了一种超材料。伊利诺伊大学香槟分校和丹麦科技大学的研究人员现在可以在不依赖于人类直觉或试错的情况下构建多个材料结构，从而产生高效的执行器和能量吸收器，模仿自然界中的设计。
这项研究由伊利诺伊州土木与环境工程学院、机械科学与工程教授Shelly Zhang领导，使用优化理论和基于算法的设计过程，称为拓扑优化。设计过程也被称为数字合成，它构建复合结构，可以精确地实现复杂的机械响应。
伊利诺伊州研究人员Weichen Li（左）和Shelly Zhang教授演示了优化理论和计算机算法如何引领软体机器人和超材料设计。
“软体机器人和超材料需要复杂的机械响应，需要使用多种材料，但建造这些类型的结构可能是一个挑战，”Zhang说。“有这么多材料可供选择，确定适合特定功能的最佳材料组合为研究人员提供了大量的数据以供处理。”
Zhang的团队着眼于设计具有快速固化、大尺寸变形屈曲、多相稳定性和持久力平台等规定特性的宏观结构。
新的数字合成过程生成了具有最佳几何特征的结构，这些结构由满足规定功能的最佳材料组成。
研究人员最终得到了由两种不同的聚二甲基硅氧烷（PDMS）弹性体制成的模型装置，这种弹性体的基本几何形状非常像一只青蛙或一个由三只青蛙组成的家族的腿，每只具有不同的几何形状，这两种PDMS弹性体以不同的排列方式使用，其功能非常类似于生物肌肉和骨骼。
“值得注意的是，我们的发现与生物学和进化自然产生的东西非常一致，”Zhang说。“例如，当我们要求算法开发一种具有更快刚化响应的设备时，它会在我们的机械青蛙身上产生更大的‘肌肉’反应，就像自然界中可能发生的那样。”
Zhang说，这项工作的总体优势在于其可持续性特征。“我们设计了可重复使用和完全可回收的耗能器，这符合当今对有利于环境的可持续设备的需求。这些设备不是一次性使用的设备。我们使用纯弹性材料设计它们，允许我们多次重复使用它们。”。
研究人员表示，他们的数字合成技术将增加可编程超材料的范围，这些超材料可以处理复杂的、以前不可能的机械响应，特别是在软体机器人和生物医学设备领域。
更多信息可参考: 实现任意编程机械响应的自由形式多材料结构的数字合成，美国国家科学院院刊（2022年）DOI: 10.1073/pnas.2120563119
Digital synthesis of free-formmultimaterial structures for realization of arbitrary programmed mechanicalresponses, Proceedings of the National Academy of Sciences (2022).
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