既像气体，又像液体的流体
图片来源：Pixabay
撰文 | 西蒙·梅金（Simon Makin）
翻译 | 马良骥
现代社会中，无数机械都要依靠气动系统或液压系统运作。这两种系统分别需要加压气体和液体，也具有独特的优缺点：气动系统更有弹性，不易受到冲击损伤；而液压系统精度更高，动力也更强。这是因为气体是可压缩的，而液体不是。“自然状态下，不存在两者之间的过渡状态，”美国哈佛大学的应用物理学家阿德尔·贾卢利（Adel Djellouli）说，“我们希望能开发这个中间地带，制造出可以控制压缩性的人造液体。”
这项研究发表于《自然》（Nature）杂志，贾卢利和同事描述了一种新型“元流体”（meta fluid）的测试结果。这种流体中悬浮着大量充有空气的硅橡胶微球，它的压缩率、黏度和透明度都是可编程的，未来有可能应用于制造智能减震器、电子墨水和可编程隔声板。
原理很简单：在一定的压力下，球体会发生形变，让这种流体更容易被压缩。同时，球体的大小、厚度、柔软度和数量都可以更改，从而调整流体在压力下的各种性能。贾卢利和团队展示了这种液体的广泛适用性：在注入液体量不变的情况下，研究团队用液压机器人抓握不同大小和硬度的物体，比如玻璃瓶、鸡蛋和蓝莓。结果显示，无需调整流体注入量，液压机器人就可以收紧抓手夹持不同物体，不会将它们压碎。
“我们调整了流体的弹性，所以无论是坚硬的大型物体还是脆弱的小型物体，抓手都可以稳稳抓住，”贾卢利说。通过这种方法，传统机器人也可以拥有软体机器人特有的能力。
研究人员发现，因为球体中的空气散射光线，会使这种液体像泡沫水一样不透明，但发生形变的球体散射的光线更少，液体又会变回透明状态。状态之间的轻松切换可能有助于制造快速响应的电子墨水。同时，由于变形的球体无法再自由滚动，因此还会使流体变得更黏稠。美国康奈尔大学致力于开发先进机器人的罗伯特·谢泼德（Robert Shepherd）表示，这种特性或许可用于开发可调振动阻尼系统。“某样东西越黏稠，它耗散的能量就越多，”他解释道。
谢泼德补充说，2022年的一项研究曾描述了一种类似的流体，其中添加了可压缩的管状胶囊。但关键的区别在于，“这种管状胶囊尺寸很大，无法通过小尺寸的管口，”谢泼德表示，这种新的球状胶囊是“一个相当酷的进步”。
这种液体还有许多其他能力等待研究。例如它的热力学特性或许可以应用于能量存储，贾卢利也表示自己目前正在探索元流体在声学方面的可能性：“你可以调整元流体，使其只吸收特定频率的声音，”比如说话的声音。然后，只需一个开关，你就可以取消隔音效果。
本文节选自《环球科学》2024年7月刊一篇来自《科学美国人》法国版的文章：《约翰·赫歇尔：重塑英国科学》
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