具有可逆和快速多态可重构性的多功能变形材料被应用到软机器人变形无人机中，该无人机可自动从地面转换为飞行器和水下变形机。
在不消耗能量的情况下保持复杂形状，同时灵活地在多种状态之间切换的能力在单一材料系统中通常是不常见的。从软机器人到多式联运车辆，具有可调节刚度的变形材料已成为多项技术突破的关键要素。为了设计具有上述能力的材料系统，在平板上结合中国艺术几何形状、剪纸和折纸的技术可以在变形下产生3D输出形状。这些类型的材料被称为机械超材料，具有更大的自由度和可拓展性，但由于此类系统的可重构性和可逆性而受到限制。开发形状变形系统的另一种方法是控制整个板材的材料特性，这可以通过异质材料刚度调整变形来实现。然而，材料中不同位置的这种形状膨胀需要连续的外部激励— — 这表明如果没有不断施加的激励或能量输入，就无法实现形状变形。
隶属于弗吉尼亚理工大学高分子创新研究所和机械工程系、软材料和结构实验室的一组研究人员介绍了一种形状和刚度变形材料，该材料具有可逆和快速多态3D可重构性和可编程刚度等功能[1]。该项目由机械工程助理教授Michael Bartlett领导，由Bartlett的DARPA青年教师奖和主任奖学金资助。“当我们开始这个项目时，我们想要一种可以做三件事的材料：改变形状、保持形状以及返回原始配置，并在多个周期内执行此操作。挑战之一是创造一种足够柔软以显著改变形状的材料，但又足够坚硬以制造出能够执行不同功能的适应性机器。”
有趣的是，引入的变形机械超材料可以在不到0.1秒的时间内迅速变形为承重形状，同时仍保持形状和刚度的可重构性。为了达到这种机械超材料的状态，该团队创建了一种剪纸复合超材料片，该片材通过弹性剪纸结构的非线性变形实现形状变形，并通过嵌入低熔点合金的塑性和相变的非线性材料响应来固定形状（LMPA）。该复合材料由一个由LMPA组成的内骨架、一个嵌入式加热层和一个弹性剪纸封装组成。LMPA是菲尔德（Field）金属，它是铋、铟和锡的均匀混合物，可在62°C的低熔点下从高弹性模量固体变为可流动的液体。
“这些复合材料有一个金属内骨架嵌入橡胶中，带有软加热器，剪纸风格的切口定义了一系列金属梁。这些切割与材料的独特特性相结合对于变形、快速固定形状、然后恢复到原始形状非常重要，”Hwang说。
弹性剪纸结构展示了非线性力-延伸特性，能够在不同配置的形状固定过程中保持较高的形状，从而在最小恢复力下实现较高的可扩展性。低熔点合金表现出形状变形的材料非线性，并且可以在低应变下塑性变形——利用这一点将材料变形为承重形状。通过引入嵌入式加热器以熔化LMPA，材料的形状是可逆的，从而使弹性剪纸结构能够逆转可塑性并获得可重构性。高斯曲率图(D)显示了表示具有复杂曲率的曲面的负值和位置区域。机械超材料克服了软体系统中可扩展性和承载能力之间的权衡 - 导致了功能变形无人机的设计。
为了评估所提出的机械超材料的应用，该小组设计了一种集成了机载电源、控制、电机和嵌入式加热器的软机器人变形无人机。由于从地面到飞行器配置的自主变形，可以实现多种远程控制的运动模式——可以部署以通过水推进和浮力控制来收集货物。软机器人无人机中的嵌入式加热器帮助它成形和变形，以实现从驾驶状态到飞行状态的自主转换。由于无人机上的铜线和沉积在动力传输站上的液态金属层之间的接触，使得转换能够在没有外部干预的情况下进行，因此可以从状态1下的驾驶过渡到状态2下的飞行器配置。
“我们对这种材料为多功能机器人带来的机会感到兴奋。这些复合材料的强度足以承受来自电机或推进系统的力，但可以很容易地形成变形，这使得机器能够适应它们的环境，”Barron说。
使用剪纸复合材料开发一种可展开的水下机器，该机器以扁平形状开始，然后依次变形为游泳状态以与环境相互作用以收集货物。完成任务后，材料缩回到原来的平面形状。“水下机器由多个堆叠层组成，包括带有嵌入式液态金属加热器的变形剪纸复合材料、充气薄膜和水推进通道，”该团队指出。底层设计用于收集货物，而顶层控制浮力以进行运动。该实现展示了将剪纸结构变形为不同功能应用程序的可逆部署能力。
题为“Shape morphing Mechanical Metamaterials through Reversible Plasticity”的研究文章发表在Science Robotics杂志上。
[1] D. Hwang, E. J. Barron, A. B. Haque,and M. D. Bartlett, “Shape morphing mechanical metamaterials through reversible plasticity,” Science Robotics, vol. 7, no. 63, 2022.
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