美国北卡罗来纳州立大学研究人员开发出一种“跃动结构”，可在无需计算机或外部刺激的情况下，在预设时间自动跳起。这种“跃动壳”(metashell)何时起跳、跳多高，完全由材料结构本身决定。相关研究于2日发表在《美国国家科学院院刊》上。
研究人员创造了一种动态结构，它能够按照预定的时间表跃入空中，无需计算机干预或外部刺激。这些“超壳”的跃起时间和高度，都由材料的物理结构设计决定。这幅图结合了延时摄影，展示了其中一个“超壳”从雪地表面跃入空中的景象。图片来源：庆海涛/北卡罗来纳州立大学
有些结构，比如被释放的弹簧，在移除压力后会立刻跳起。但研究人员想创造一种不依赖外部刺激，且可以提前设定起跳时间的结构。
此次设计的跃动壳能在数秒至数十小时内，按设定的“时钟”自动跳起。这种新型结构由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)构成，呈球形，由复杂的晶格样式连接在一起。这种结构能最大限度地提高其能量储存能力。
这项设计利用了PET的黏弹特性。当对跃动壳施加压力时，它会被压缩变形。当压力移除后，它不会立即恢复原状，而是缓慢“蠕变”回球形，直到达到一个临界点，然后瞬间释放能量，弹射至空中，完成跳跃。
值得注意的是，跃动壳的受力持续时间越长，结构达到临界点所需的时间也越长。
研究人员表示，这项技术的最终效果是，人们可以通过调整施加压力的时间，精确设定跃动壳的跳跃时间，同时也能控制其跳跃的高度，因为受力时间越长，跳得越低。
在测试中，研究人员成功实现了从3秒到58小时的预定跳跃时间。跃动壳的起跳高度最高可达自身高度的9倍，也可以低至自身高度的二分之一，具体取决于预设的跳跃延迟时间。这意味着这种结构不仅可以“定时起跳”，还能“按需跳高”。
团队还测试了跃动壳在多种表面的跳跃能力，如硬地、沙地、雪地和水面，即使在-15℃的低温环境中也能稳定跳跃。此外，他们受到自然界种子爆裂传播过程的启发，还能使跃动壳像凤仙花种子那样弹射出去。实验显示，一种直径100毫米的跃动壳，成功将“种子”分散到1.5米范围。
研究人员表示，这种无需外力、具备定时控制能力的结构，未来在环境监测、生物标志物投放、软体机器人等场景均有应用潜力。
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