史前编织篮子竟然启发科学家制造坚硬、有弹性的机器人的新材料

游戏天地 2025年08月30日 18:01 1 admin

信息来源：https://techxplore.com/news/2025-08-prehistoric-basketweaving-materials-stiff-resilient.html

一只四足机器人承受着相当于自身重量25倍的巨大压力，却依然能够自如行走。当压力移除后，它瞬间恢复原状，毫发无损。这一令人惊叹的场景并非科幻电影片段，而是密歇根大学工程师们基于史前编织技术开发的革命性材料在现实中的应用展示。这项发表在《物理评论研究》期刊上的突破性成果，将可追溯至公元前7500年的古老编织艺术转化为21世纪的尖端工程解决方案。

研究团队发现，通过模仿史前编织篮子的结构原理，他们创造出的材料不仅具备卓越的承重能力和弹性恢复特性，更能在反复强力压缩后完全恢复原形。相比之下，采用相同材料制成的连续薄片结构在相同测试条件下会发生永久变形。这一发现为软机器人、外骨骼设备、汽车零部件和建筑材料等领域开辟了全新的可能性。

古代智慧的现代诠释

密歇根大学土木与环境工程博士生郭伟韦恩涂在偶然阅读一篇关于史前编织篮子考古发现的文章时，产生了一个关键洞察：这种延续至今的古老工艺必然具备超越美学和几何形状的深层机械优势。

一款形似狗狗的编织机器人原型，能够承受自身重量25倍的重量，同时保持腿部灵活移动。过载移除后，它会恢复原状，再次承受正常负载。图片来源：Physical Review Research (2025)。DOI：10.1103/9srl-9gsc

"我们知道编织是用芦苇和树皮等带状物创建三维形状的有效方法，但我们怀疑它还必须具有潜在的机械优势，"该研究的通讯作者、密歇根大学土木与环境工程和机械工程副教授叶夫根尼·菲利波夫解释道。

为了验证这一假设，研究团队系统性地重新审视了编织结构的力学特性。他们使用宽度约为小指宽、厚度相当于两张复印纸的聚酯薄膜带，将其按垂直排列方式编织成各种三维超材料结构。这些合成复合材料通过特殊的结构设计，获得了天然材料所不具备的独特物理特性。

实验采用了四种不同的角形排列方式，分别将三、四、五和六层平面组合在一起。为了进行对照比较，研究团队同时制作了采用连续未编织聚酯薄膜的相同结构。通过逐步挤压测试，两种结构在机械性能上的差异变得一目了然。

超越想象的结构强度

实验结果令人震撼。一对高17厘米的矩形盒状结构在被压缩1厘米后能够完全恢复原状。然而，当研究人员继续增加压缩程度时，连续结构很快出现永久性损伤，而编织结构即使在被压缩14厘米——仅剩不到原始高度20%的极端条件下，仍然能够完全恢复。

高分辨率三维扫描技术揭示了这一现象背后的科学机理。在连续结构中，应力会集中在特定点位，导致材料发生不可逆的弯曲变形。而编织结构则能够将应力重新分布到更大的区域，有效防止永久性损伤的发生。

这种应力分散机制不仅提供了出色的弹性恢复能力，还确保了结构的高强度特性。在刚度测试中，编织材料的硬度达到了连续结构的70%，彻底颠覆了编织系统本身具有柔韧性的传统观念。

更为复杂的配置测试进一步证实了这种材料的潜力。一个类似机器人手臂的L形结构能够垂直支撑相当于自身重量80倍的载荷——相当于腰部承载重袋的状态，同时还能像人类手臂一样灵活向上弯曲。

工程应用的无限可能

左图，改造前：两个25克的塑料矩形盒子，一个编织盒，一个连续片，每个盒子可承载500克的重物。中图，轴向屈曲：用手挤压每个盒子，使其向内压缩。中图，扭转屈曲：用手扭转每个盒子。右图，改造后：编织盒形状与改造前相同，可承载500克的重物。连续片盒变形，无法承载重物。图片来源：物理评论研究(2025)。DOI：10.1103/9srl-9gsc

研究团队设计的编织机器人原型展示了这种材料在实际应用中的巨大潜力。这只被研究人员称为"狗"的四足机器人不仅能够承受自身25倍重量的压力，还能在负载状态下正常行走。当移除过载后，机器人立即恢复到原始形状，继续执行正常任务。

这种特性对于机器人技术的发展具有革命性意义。传统机器人材料往往面临刚性与柔性的两难选择：刚性材料提供足够的结构强度，但缺乏适应性和安全性；柔性材料虽然安全性更好，但承载能力有限。编织材料巧妙地平衡了这一矛盾，为新一代智能机器人的设计提供了理想解决方案。

菲利波夫教授指出："用于机器人的轻质编织材料也能在人机碰撞时帮助人类更安全。"这一特性使得编织材料特别适合应用于服务机器人、医疗机器人等需要与人类密切接触的领域。

在外骨骼技术方面，研究人员已经设计出编织外骨骼的概念原型。这种设备能够根据人体不同部位的需求调节硬度，既允许自然运动，又提供可重复使用的减震保护效果。相比传统的刚性外骨骼系统，编织外骨骼在舒适性和适应性方面具有显著优势。

建筑和汽车工业同样可以从这项技术中受益。编织结构的高强度和弹性恢复特性使其成为抗震建筑材料和汽车安全系统的理想选择。在地震或碰撞等极端情况下，编织结构能够吸收和分散冲击能量，同时保持整体结构完整性。

智能材料的发展前景

这项研究的意义远不止于材料科学领域的突破，它代表了一种全新的设计哲学：通过深入理解传统工艺的科学原理，为现代工程问题寻找创新解决方案。

涂教授强调："利用这几个基本的角形模块，我们可以设计并轻松制造出具有复杂空间几何形状、兼具刚性和弹性的编织表面和结构系统。这些基于角形的编织结构在未来的工程设计中有着巨大的应用潜力。"

研究团队的下一步计划是将活性电子材料整合到编织结构中，创造出真正的"智能"系统。这些系统将能够感知外部环境变化，并根据不同应用场景自主调整形状和特性。例如，在温度变化时自动调节刚度，或者在检测到危险时立即改变结构配置。

随着人工智能、传感器技术和新材料科学的快速发展，编织智能材料有望成为下一代自适应系统的核心技术。从可变形的建筑外墙到能够自我修复的航空器结构，这种古老工艺与现代科技的结合将为人类社会带来前所未有的技术革新。

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