如果你曾經(jīng)嘗試過(guò)將幾個(gè)非常堅(jiān)固的小立方體磁鐵彼此緊挨放在磁性板上，那么你會(huì)知道自己做不到。因?yàn)闀?huì)發(fā)生的情況是，磁鐵始終排列在從磁性板垂直伸出的圓柱中，而且，幾乎不可能將幾行這些磁體連接在一起以形成平坦的表面。那是因?yàn)榇盆F是偶極的，相等的磁極會(huì)彼此排斥，一個(gè)磁體的北極始終將自身附著到另一個(gè)磁體的南極，反之亦然，這就解釋了為什么它們形成一個(gè)列，使所有磁體對(duì)齊的方式相同。
現(xiàn)在，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的科學(xué)家們已經(jīng)成功地制造出了立方體形狀的磁性構(gòu)建塊，這是有史以來(lái)第一次，可以連接在一起以形成二維形狀?？茖W(xué)家將其稱為模塊的新構(gòu)件不是偶極而是四極，這意味著它們每個(gè)都有兩個(gè)北極和兩個(gè)南極。在每個(gè)以塑料3D印刷的模塊內(nèi)部，有兩個(gè)小的常規(guī)偶極磁體，它們的相等磁極彼此面對(duì)（見(jiàn)圖）。
可以像小國(guó)際象棋棋盤一樣組裝這些積木，以形成任何二維形狀。它的工作原理是：由于南極和北極相互吸引，因此一個(gè)四極構(gòu)造塊，其兩個(gè)南極面向左右，將在其四個(gè)側(cè)面上吸引一個(gè)建筑物 塊旋轉(zhuǎn)了90度，因此其北極位于左右兩邊。
基于這一原理，科學(xué)家們制作了彩色模塊，其邊緣長(zhǎng)度剛好超過(guò)2毫米。他們將它們組裝成像素藝術(shù)表情符號(hào)，以演示模塊可以做什么。但是，可能的用例遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了這種頭。ETH的Bradley Nelson教授小組博士生，科學(xué)家們最近在Science Robotics上發(fā)表論文，其主要作者Gu Hongri說(shuō)：“我們對(duì)軟機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用特別感興趣。”
四極體控制著模塊的磁性。但是，四極桿和偶極桿在同一構(gòu)件中要復(fù)雜得多，因?yàn)槌藦?qiáng)四極桿外，科學(xué)家還在構(gòu)造塊中構(gòu)建了一個(gè)弱偶極桿。他們通過(guò)將模塊中的小磁鐵彼此以微小角度而不是平行的方式布置來(lái)實(shí)現(xiàn)此目的。
Gu解釋說(shuō)：“這導(dǎo)致模塊將自身對(duì)準(zhǔn)外部磁場(chǎng)，就像指南針一樣。” “有了可變的磁場(chǎng)，我們就可以將已經(jīng)構(gòu)建的形狀移出模塊。添加一些靈活的連接器，甚至可以構(gòu)建可以通過(guò)磁場(chǎng)控制的機(jī)器人。”
外部磁場(chǎng)（中心和右圖）可用于控制模塊的方向。此處顯示的是電磁模塊和柔性連接器的組合。
圖片來(lái)源：Gu H et al. Science Robotics 2019
圖片來(lái)源：Gu H et al. Science Robotics 2019
Gu說(shuō)，他們的工作最初是關(guān)于開(kāi)發(fā)新磁性原則的。他說(shuō)，它與尺寸無(wú)關(guān)，這意味著沒(méi)有理由無(wú)法開(kāi)發(fā)出更小的四極模塊?？茖W(xué)家們還在研究如何在磁場(chǎng)的作用下將模塊用于將線性結(jié)構(gòu)組合成多維對(duì)象，這是將來(lái)可能在醫(yī)學(xué)中使用的東西：可以想象，諸如支架之類的物體可以由包含此類模塊的螺紋形成。可以通過(guò)一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的，微創(chuàng)的程序通過(guò)細(xì)小的開(kāi)口將線插入體內(nèi)，然后施加磁場(chǎng)以將其組裝到體內(nèi)的最終多維結(jié)構(gòu)中。
