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SEAS的研究團隊研發，據說可自由調節彈性、光學特性、粘度。

甚至能夠在牛頓流體和非牛頓流體之間轉換。

研究人員表示，有了這些buff屬性加成，該流體在編程液壓機器人、智能減震器、光學設備中都有巨大的應用潛力。

可編程的“智能液體”

為什么說可用于編程液壓機器人等技術？奧秘就在這張圖中：

來看研究人員的展示。

研究人員設計了一個抓取器，用空氣和水作對照，通過抓取玻璃瓶、鵪鶉蛋、藍莓，來表現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動“抓手”：

注入空氣量相同的情況下，玻璃瓶剛好能抓穩，鵪鶉蛋和藍莓直接被壓爛。

注入水量相同的情況下，玻璃瓶剛好能抓穩，鵪鶉蛋和藍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”

眾所周知，超材料是一種人造材料，其特性由其結構而不是成分決定。傳統上，大多數超材料都是固態的，即構建塊被布置在晶格結構內的固定位置。

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

經過一系列展示，想必有人也已經猜到了，構建Metafluid的關鍵，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，就是當液體內部的壓力增加時，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象

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

△去除壓力膠囊還原成球形狀態

具體來說，研究人員先是制作了兩種規模的膠囊：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行了單膠囊、多膠囊實驗，此外還進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ΔV減少時，凹陷逐步減小，并且當壓力下降至臨界壓力Pdown=50kPa時，膠囊會彈性回復至球形，產生滯后效應。

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數和膠囊殼厚度與外半徑的比值來分別獨立調整。

接下來，研究人員在更大的容器中填充27個小膠囊，保持膠囊體積分數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象。

△球形膠囊在流體中的流動現象

研究人員還研究了膠囊屈曲對Metafluid光學特性的影響。他們使用COMSOL軟件進行光線追蹤模擬，發現球形和屈曲狀態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的光功率，并發現在膠囊屈曲時，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”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在不同膠囊狀態下的粘度。

結果表明，當膠囊處于球形狀態時，Metafluid表現出牛頓流體的特性，而當膠囊屈曲時，Metafluid轉變為非牛頓剪切稀化流體。

△膠囊屈曲后形成聚集體

這種轉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的聲學和熱力學屬性：

這種可擴展、易于生產的Metafluid的應用空間是巨大的。

我們的探索還停留在表面。

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