“躍動殼”無需外力即可定時起跳

科技日報北京6月3日電 （記者張佳欣）美國北卡羅來納州立大學研究人員開發出一種“躍動結構”，可在無需計算機或外部刺激的情況下，在預設時間自動跳起。這種“躍動殼”（metashell）何時起跳、跳多高，完全由材料結構本身決定。相關研究於2日發表在《美國國家科學院院刊》上。

有些結構，比如被釋放的彈簧，在移除壓力後會立刻跳起。但研究人員想創造一種不依賴外部刺激，且可以提前設定起跳時間的結構。

此次設計的躍動殼能在數秒至數十小時內，按設定的“時鐘”自動跳起。這種新型結構由聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）構成，呈球形，由複雜的晶格樣式連接在一起。這種結構能最大限度地提高其能量儲存能力。

這項設計利用了PET的黏彈特性。當對躍動殼施加壓力時，它會被壓縮變形。當壓力移除後，它不會立即恢復原狀，而是緩慢“蠕變”回球形，直到達到一個臨界點，然後瞬間釋放能量，彈射至空中，完成跳躍。

值得注意的是，躍動殼的受力持續時間越長，結構達到臨界點所需的時間也越長。

研究人員表示，這項技術的最終效果是，人們可以通過調整施加壓力的時間，精確設定躍動殼的跳躍時間，同時也能控制其跳躍的高度，因為受力時間越長，跳得越低。

在測試中，研究人員成功實現了從3秒到58小時的預定跳躍時間。躍動殼的起跳高度最高可達自身高度的9倍，也可以低至自身高度的二分之一，具體取決於預設的跳躍延遲時間。這意味着這種結構不僅可以“定時起跳”，還能“按需跳高”。

團隊還測試了躍動殼在多種表面的跳躍能力，如硬地、沙地、雪地和水面，即使在-15℃的低温環境中也能穩定跳躍。此外，他們受到自然界種子爆裂傳播過程的啓發，還能使躍動殼像鳳仙花種子那樣彈射出去。實驗顯示，一種直徑100毫米的躍動殼，成功將“種子”分散到1.5米範圍。

研究人員表示，這種無需外力、具備定時控制能力的結構，未來在環境監測、生物標誌物投放、軟體機器人等場景均有應用潛力。