哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的研究人员开发了一种可编程元流体，具有可调节的弹性、光学特性、粘度，甚至能够在牛顿流体和非牛顿流体之间转换。
这种首创的元流体使用了50至500微米之间的小型弹性体球体的悬浮液，这些球体在压力下会弯曲，从根本上改变了流体的特性。元流体可用于从液压执行器到程序机器人、到可以根据冲击强度消散能量的智能减震器、到可以从透明过渡到不透明的光学设备等各种应用。
SEAS材料科学和机械工程研究员、该论文的第一作者AdelDjellouli表示：“我们只是触及了这种新型流体的皮毛。”“通过这个平台，你可以在许多不同的领域做许多不同的事情。”
超材料(一种人工工程材料，其特性由其结构而不是成分决定)多年来已广泛应用于各种应用。但大多数材料——例如由应用物理学罗伯特·L·华莱士教授和SEAS电气工程高级研究员费德里科·卡帕索(FedericoCapasso)实验室首创的超透镜——都是固体。
“与固体超材料不同，超流体具有独特的流动能力和适应容器形状的能力，”SEAS应用力学教授、该论文的资深作者KatiaBertoldi说。“我们的目标是创造一种元流体，不仅具有这些显着的属性，而且还提供可编程粘度、可压缩性和光学特性的平台。”
利用SEASMallinckrodt物理学和应用物理学教授DavidA.Weitz实验室开发的高度可扩展的制造技术，研究小组生产了数十万个这种高度可变形的球形胶囊，其中充满空气并将它们悬浮在硅油中。当液体内部的压力增加时，胶囊就会塌陷，形成一个类似透镜的半球体。当压力消除后，胶囊会弹回球形。
这种转变改变了液体的许多特性，包括其粘度和不透明度。这些特性可以通过改变液体中胶囊的数量、厚度和尺寸来调节。
研究人员通过将元流体加载到液压机器人夹具中并让夹具拾取玻璃瓶、鸡蛋和蓝莓，展示了液体的可编程性。在由简单的空气或水驱动的传统液压系统中，机器人需要某种传感或外部控制才能调整其抓地力并拾取所有三个物体而不压碎它们。
但对于元流体来说，不需要任何传感。液体本身会响应不同的压力，改变其柔顺性来调整夹具的力量，从而能够拿起一个沉重的瓶子、一个精致的鸡蛋和一个小蓝莓，而无需额外的编程。
“我们证明，我们可以使用这种液体赋予简单的机器人智能，”杰洛里说。
该团队还展示了一种可以通过改变元流体来重新编程的流体逻辑门。
当受到变化的压力时，元流体也会改变其光学特性。
当胶囊呈圆形时，它们会散射光线，使液体变得不透明，就像气泡使充气水呈现白色一样。但当施加压力并且胶囊塌陷时，它们就像微透镜一样，聚焦光线并使液体透明。这些光学特性可用于一系列应用，例如根据压力改变颜色的电子墨水。
研究人员还表明，当胶囊为球形时，元流体的行为类似于牛顿流体，这意味着其粘度仅随温度而变化。然而，当胶囊塌陷时，悬浮液会转变为非牛顿流体，这意味着其粘度将随着剪切力而变化——剪切力越大，其变得越具有流动性。这是第一个被证明可以在牛顿态和非牛顿态之间转变的元流体。
接下来，研究人员的目标是探索元流体的声学和热力学特性。
“这些可扩展、易于生产的元流体的应用空间是巨大的，”贝尔托尔迪说。
哈佛大学技术开发办公室保护了与这项研究相关的知识产权，并正在探索商业化机会。