如何在不损失能量的情况下模仿自然的弹簧弹跳运动

图片：CC0公共领域

金星捕蝇草可以做到这一点，下颚蚂蚁也可以做到这一点，现在麻省大学阿默斯特分校的材料科学家也可以做到这一点-他们发现了一种有效地将弹簧中的弹性能转换为动能的方法，以实现高加速度，极高速度自然运动。

第一作者梁旭东和高级研究员阿尔弗雷德·克罗斯比说，在人造系统和许多自然系统的物理学中，将能量从一种形式转换为另一种形式通常意味着损失大量这种能量。克罗斯比说：“总会有很高的成本，而且转换中的大部分能量都将丢失。” “但是，我们发现了至少一种显着帮助的机制。” 详细信息在《物理评论函》中。

Liang和Crosby使用高速成像技术，详细测量了松紧带的回弹运动，该松紧带的运动可以达到与激发它们的许多自然生物系统相似的加速度和速度。通过试验不同的弹性带构型，他们发现了一种模仿蚂蚁和捕蝇器的快速运动，高功率冲动事件的机制，并且能量损失最小。

现任宾厄姆顿大学教授的梁良和克罗斯比是由前美国马萨诸塞大学阿默斯特分校专家希拉·帕特克（Sheila Patek）领导的机器人专家和生物学家组成的小组的成员，该专家现在就职于杜克大学。她研究了螳螂虾极快的猛禽附肢捕捉运动。他们的多机构团队得到了美国陆军研究实验室及其研究办公室资助的美国陆军多学科大学研究计划（MURI）的支持。

在梁的观察和实验中，他发现了能量最守恒的基本条件（加上基本物理学），并提出了克罗斯比所谓的“一些非常漂亮的理论和方程式”以支持其结论。Crosby指出：“我们的研究表明，弹簧内部的几何结构在增强大功率运动的能量转换过程中起着核心作用。”

梁说，这个秘密原来是在松紧带上增加了战略性放置的椭圆形而非圆形的孔。“保持效率不是直观的，在进行实验之前很难猜测如何做到。但是，一旦看到实验随着时间的推移，就可以开始形成理论。可以开始思考其工作原理。 ”

他放慢了动作，观察着像橡皮筋一样的合成聚合物的弹跳运动。

梁发现结构秘诀在于设计孔的图案。他说：“没有孔，一切都在延伸。” “但是有孔时，材料的某些区域会转动并塌陷。” 当平带被拉伸和反冲时，只有不到70％的存储能量被用于大功率运动，其余能量则丢失了。

相反，增加孔隙可以将能带转变为机械超材料，从而通过旋转产生运动。他和克罗斯比证明，通过超材料，超过90％的存储能量被用来驱动运动。Crosby补充说：“在物理学中，弯曲以较少的能量完成相同的运动，因此，当您操纵孔的图案时，您可以将带设计为内部弯曲；它变得高效。”

“这表明我们可以使用结构来改变材料的特性。其他人知道这是一种有趣的方法，但是我们将其向前发展，特别是对于高速运动以及从弹性能到动能或运动的转换。”

两人希望这一进展将帮助MURI团队中的机器人专家和其他人达到一个性能目标，以帮助他们设计高效，快速的动力学机器人系统。

梁说：“现在我们可以交出其中一些结构，然后说，'这是为机器人设计弹簧的方法。' 我们认为，新理论为如何看待生物学，如何组织组织或如何构造其壳以允许我们展示出的旋转性打开了许多新的观念和问题，”他补充说。