研究人员设计出可实现自主延时多日跳跃的壳体结构、

研究人员展示了一种壳体结构，这种结构能够在预定时间自动跃起，无需依赖计算机或外部刺激。这些“超构壳体”何时跳跃以及跳跃的高度，均通过材料本身的物理结构实现精确设计。

“有些壳体结构在负载移除后会立即‘跳跃’，比如释放后的螺旋弹簧，”该研究论文的通讯作者、北卡罗来纳州立大学机械工程副教授尹杰表示。“我们希望设计一种不依赖外部刺激的结构，并能够提前设定其跳跃的时间。我们开发出一种技术，可以精确控制结构何时启动跳跃，无论是几秒钟后，还是几小时后。”

在这项研究中，研究人员制造了一种球形镂空壳体结构，由聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）材料的细梁构成，并连接成复杂的晶格图案。该结构的设计最大限度地提升了材料的弹性能量储存能力。当施加载荷时，结构会发生形变；而在移除载荷后，结构会恢复至原始形状。然而，由于PET具有黏弹性材料特性，它不会立即反弹回原始状态。

在移除载荷后，这种黏弹性超构壳体会缓慢“蠕变”回原始形状，直到达到一个临界点——此时结构会瞬间完成剩余的恢复过程，迅速回弹至初始形态。而且，载荷施加的时间越长，结构在载荷移除后达到临界点所需的时间也越长。

“最终的结果是，当我们对球形元壳体施加载荷时，它会被压缩成类似花蕾的形状，”论文第一作者、北卡罗来纳州立大学博士生清海涛表示，“当这个‘花蕾’恢复成球形时，能量的释放会将壳体结构猛地弹起。通过控制载荷施加的时间，我们可以精确决定何时发生跳跃。这也会影响元壳体的跳跃高度——载荷施加得越久，跳跃高度就越低。”

“材料特性起着关键作用，而我们所设计的壳体结构进一步放大了这些特性，”尹杰表示。“该材料具有黏弹性，而结构设计则负责储存弹性能量，这两者对这项技术的性能都至关重要。”

在测试中，研究人员展示了跳跃时间可从3秒延迟至58小时。根据跳跃设定的时间不同，这些元壳体最多可以跃起至自身高度的9倍，最少也可达0.5倍。研究人员还验证了该结构在多种表面上的跳跃性能良好，包括坚硬表面、沙地、雪地和水面，即使在零下15摄氏度的低温下也能正常工作。

此外，研究人员还展示了元壳体可以搭载“货物”，例如种子，并在跳跃过程中实现搭载物的有效释放。

“在这个实验中，我们受到自然界中爆炸性种子传播现象的启发，比如凤仙花的种子散播，”清海涛表示。“我们展示了一个直径为100毫米的超构壳体能够将种子均匀地扩散到以1.5米为直径的圆形范围内。”

“接下来，我们希望探索适用于该壳体结构设计的可降解材料，并深入研究其在多个领域的潜在应用，”尹杰补充道，“我们也欢迎与其他研究人员或私营企业合作，进一步推动这项技术的应用。”

这篇题为《可编程的秒至多日自主延迟弹跳的超构壳体》的论文已发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上。论文由北卡罗来纳州立大学博士生清海涛为第一作者，与博士生周才植与漆方杰共同参与撰写。

本研究得到了美国国家科学基金会（NSF）第2126072号与2329674号项目的资助。清海涛与尹杰教授是本项研究成果相关专利的共同发明人，该专利已由北卡罗来纳州立大学提交。