哈佛大學約翰-保爾森工程與應用科學學院（SEAS）的科學家們開發出了一種可編程的元流體，它具有可調的彈性、光學特性、黏度，甚至可以在牛頓流體和非牛頓流體之間轉換。這種同類首創的元流體使用的是50至500微米的彈性小球懸浮液，這些小球在壓力作用下會發生折疊，從根本上改變流體的特性。

這種元流體可用於各種領域，從用於機器人編程的液壓致動器，到可根據撞擊強度消散能量的智慧減震器，再到可從透明過渡到不透明的光學設備。這項研究發表在《自然》雜誌。

SEAS材料科學與機械工程副研究員、論文第一作者Adel Djellouli說：「我們對這種新型流體的可能性還只是膚淺的了解。有了這個平台，你可以在許多不同的領域做許多不同的事情。”

超流體與固體超材料

超材料–其特性由結構而非成分決定的人造材料–多年來已被廣泛應用於各種領域。但是，大多數材料–如東南歐科學院應用物理學羅伯特-L-華萊士教授兼電機工程文頓-海斯高級研究員費德里科-卡帕索實驗室首創的金屬透鏡–都是固體。

元流體下方顯示哈佛標誌的可調諧光學元件。資料來源：哈佛大​​學科學與工程學院

“與固體超材料不同，超流體具有獨特的流動能力，能夠適應其容器的形狀，”SEAS應用力學威廉和阿米-寬-達諾夫（William and Ami Kuan Danoff）教授、論文資深作者卡蒂亞貝爾托迪（Katia Bertoldi）說。 “我們的目標是創造出一種元流體，它不僅擁有這些非凡的特性，還能為可編程黏度、可壓縮性和光學特性提供一個平台。”

研究團隊利用SEAS 的馬林克羅特物理學和應用物理學教授David A. Weitz 實驗室開發的一種高度可擴展的製造技術，製造出了數十萬個這種充滿空氣的高變形球形膠囊，並將它們懸浮在矽油中。當液體內部的壓力增加時，膠囊就會塌陷，形成一個透鏡狀的半球。當壓力消失時，膠囊又會彈回球形。

元流體的特性與應用

這種轉變會改變液體的許多特性，包括黏度和不透明度。這些特性可以透過改變液體中膠囊的數量、厚度和大小來調整。

研究人員將元流體裝入液壓機器人抓手，讓抓手抓起一個玻璃瓶、一個雞蛋和一顆藍莓，展示了液體的可編程性。在由簡單空氣或水驅動的傳統液壓系統中，機器人需要某種感測或外部控制才能調整抓取力，在不壓碎所有三個物體的情況下將其抓起。

但有了元流體，就不需要感測了。液體本身會對不同的壓力做出反應，改變其順應性，從而調整抓手的力度，使其能夠抓起沉重的瓶子、精緻的雞蛋和小藍莓，而且無需額外編程。

Djellouli說：”我們的研究表明，我們可以利用這種流體為一個簡單的機器人賦予智慧。”

研究團隊也展示了一種流體邏輯閘，透過改變元流體就能重新編程。

光學特性和流體狀態

當壓力改變時，元流體的光學特性也會改變。當膠囊呈圓形時，它們會散射光線，使液體變得不透明，就像氣泡使充氣的水呈現白色一樣。但當施加壓力，膠囊塌陷時，它們就會像微透鏡一樣聚焦光線，使液體變得透明。這些光學特性可用於一系列應用，例如根據壓力改變顏色的電子墨水。

研究人員還發現，當膠囊呈球形時，元流體的表現就像牛頓流體，這意味著它的黏度只會隨著溫度的變化而變化。然而，當膠囊塌陷時，懸浮液就會轉變為非牛頓流體，這意味著它的黏度會隨著剪切力的變化而變化–剪切力越大，流動性越強。這是第一種能在牛頓和非牛頓狀態之間轉換的元流體。

接下來，研究人員將探索元流體的聲學和熱力學特性。 Bertoldi 說：”這些可擴展、易於生產的元流體應用空間巨大。”

編譯自: ScitechDaily