含羞草是一種有靈性的植物，它的葉片對觸碰、溫度都十分敏感。外部刺激可以改變含羞草葉片內部的水分分布，導致細胞收縮膨脹，進而影響其開合。如今，世界上有了一種特殊的“含羞草”，控制它開合的不是觸碰，而是磁場。這種“含羞草”也不是植物，而是由我國科學家研發的新型金屬玻璃制成。
近日，中國科學院物理研究所科研團隊在國際學術期刊《科學進展》上發表論文，介紹了這種“金屬含羞草”。它由金屬玻璃和其晶化物組成的復合材料制成，具有屈曲功能，三維結構可開合。該論文作者，中國科學院物理所研究員白海洋告訴科技日報記者，這項被論文評審人稱贊為“富有創造力”的成果，出發點其實是科研人員“玩出來”的靈感。
(資料圖片僅供參考)
仿生是研究的交匯點
白海洋注意到，航天事業對可以自動開合的、平板式運輸的材料有現實需求。如果容器或裝置可以在太空中自主開合，將大大有助于太空運輸以及航天員作業。基于這一設想，白海洋及其團隊對可以自動開合、變形的材料進行了探索。
在這一過程中，科研人員并沒有固守思維定式，把金屬材料制品的形狀局限在盒子等容器的范圍內，而是充分嘗試了植物、動物等其它形狀。這樣的嘗試又進一步給了研究者靈感，讓研究者獲得了許多新啟發。
“‘仿生’并不是我們研究的出發點，而是我們在探索過程中找到的交匯點。這個交匯點給了我們新的靈感。”白海洋說。
在機械等領域，仿生是一個熱門概念。但在以機器人研究為代表的大多數科研工作中，仿生的對象都是運動能力較強的人或動物，而非相對靜態的植物，金屬材料的“植物動態仿生”研究可謂別出心裁，具有很強的獨創性和探索性。
類似真正含羞草的開合原理
“金屬含羞草”如何開合？白海洋和她的學生李金鳳給記者做了演示：只要拿一塊磁鐵靠近“金屬含羞草”的中部，它就會自動閉合，把磁鐵拿開，“含羞草”又會張開。
“金屬含羞草”由金屬玻璃和其晶化物復合制成。金屬玻璃又稱非晶合金，是能實現形狀可逆變化的新型功能材料，具有優異的力學性能。在經過激光圖案化技術誘導處理之后，金屬玻璃發生了局部晶化，晶化區的密度和模量相對增大，使得金屬玻璃區和晶化區之間產生相應的尺寸錯配，導致內部產生應力，從而發生屈曲現象。這種屈曲現象是可逆的、在彈性范圍內的。由于是鐵磁性材料，它會被磁棒吸引從而產生開合動作。從原理來說，這和真正的含羞草葉片開合的原理是十分相似的。
研究團隊在實驗室還對新材料的性能進行了測試。他們發現，在彈性極限內，鐵基金屬玻璃三維屈曲結構的形狀變換由外部磁力控制可重復開合，甚至還可以通過外力重新成形或翻轉。這種仿生三維結構被磁力控制連續開合至少2萬次，且不會出現明顯的疲勞裂痕。
或可在多領域廣泛應用
在各種醫療場景中，人們有時會需要一些具有伸縮功能的器件。例如血液過濾時在血管當中收納垃圾的器件，就需要具備伸縮功能，方便醫療人員放置和取出。為此，人們采用可以隨溫度變形的相變合金，這種金屬經加溫處理可以收縮或膨脹，但加溫往往需要達到上百攝氏度。
“如果用磁場控制的金屬玻璃取代相變合金，加溫對患者可能造成的傷害就不存在了，醫療人員的操作也會變簡單。我們的‘金屬含羞草’就可以用于此領域。”白海洋介紹說。
白海洋補充說，除了血管過濾器，這種金屬玻璃還可以用來制作血管支架、微夾持器等器件。此外，新材料還可以用于傳感器制造。
近年來，材料的三維結構形狀變換在驅動器、傳感器、電感器、微電子機械系統、軟體機器人、電子、醫療和航天器件等方面展現出巨大的應用潛力。金屬玻璃的三維結構研究已經受到廣泛關注，但金屬玻璃仿生三維屈曲結構的形狀變換尚有很大的開發空間。
白海洋總結說，此次研究對開發金屬玻璃的功能性應用具有重要的科學和技術意義，對實現金屬材料的三維屈曲結構也具有啟發和指導意義。“仿生”并不是研究的起點，也并非落點，卻給金屬材料的功能性研究帶來了許多啟發。這株“含羞草”可以拋磚引玉，一定程度上拓展金屬材料的應用空間。
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