3D打印金屬玻璃的“超能力”——跑得了火星車，造得了機(jī)器人

來源：cnBeta.COM

盡管技術(shù)的進(jìn)步讓機(jī)器人行業(yè)快速發(fā)展，但真正進(jìn)入日常生活的僅限于智能掃地機(jī)器人等，和我們在科幻片中看到的機(jī)器人相去甚遠(yuǎn)。NASA衍生公司 Amorphology 首席技術(shù)官 Glenn Garrett 表示，造成這種情況的主要原因有兩個(gè)：成本和安全性。

大多數(shù)自動(dòng)化機(jī)械仍然只有那些能進(jìn)行重大投資并期望長期節(jié)省的大型制造商才能負(fù)擔(dān)得起。雖然機(jī)器人占據(jù)了越來越多的工廠車間，但出于安全考慮，它們通常與人類同事隔離 - 基本上對周圍環(huán)境一無所知，它們既強(qiáng)壯又笨拙。

而降低機(jī)器人成本的重要突破口就是金屬玻璃，利用 3D 打印技術(shù)可以合成堅(jiān)硬、光滑的表面。這使金屬玻璃齒輪具有較長的使用壽命，無需使用液體潤滑劑，這使它們對在寒冷環(huán)境中運(yùn)行的 NASA 機(jī)器人具有吸引力。此前在這種環(huán)境中，需要在運(yùn)行前加熱潤滑劑。

NASA 的好奇號(hào)火星車每次穿越火星時(shí)，都要花費(fèi)大約三個(gè)小時(shí)為其齒輪加熱潤滑油。為了幫助未來的漫游車節(jié)省時(shí)間和能源，美國宇航局投資了大塊金屬玻璃，用于不需要潤滑的齒輪。

Garrett 表示：“這就是機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展方向”�，F(xiàn)在，總部位于加利福尼亞州帕薩迪納的 Amorphology 希望通過最初為從未用于人類交互的機(jī)器人（NASA 的行星漫游者）而取得的進(jìn)步降低協(xié)作機(jī)器人的價(jià)格。

NASA 漫游車上的齒輪與地球上的大多數(shù)齒輪一樣，都是由鋼制成，既堅(jiān)固又耐磨。但是鋼齒輪需要液體潤滑，而油在月球或火星表面等寒冷環(huán)境中效果不佳。因此，例如，美國宇航局的好奇號(hào)火星車每次準(zhǔn)備開始滾動(dòng)時(shí)都會(huì)花費(fèi)大約三個(gè)小時(shí)來預(yù)熱潤滑劑，消耗了大約四分之一的可支配能量，否則這些能量本來可以用于科學(xué)。

著眼于解決這個(gè)問題和其他與材料相關(guān)的問題，2010 年，噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室聘請了 Hofmann，當(dāng)時(shí)他是加州理工學(xué)院的一名研究科學(xué)家，擁有材料科學(xué)和工程背景。美國宇航局在噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室資助了一個(gè)新的冶金設(shè)施，以探索齒輪的替代品并開發(fā)新的金屬合金。

從他在加州理工學(xué)院管理噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室開始，霍夫曼就熟悉一類新興的特殊工程材料，稱為塊狀金屬玻璃，也稱為非晶金屬。這些是金屬合金，可以在它們的原子形成所有其他金屬共有的晶格結(jié)構(gòu)之前從液態(tài)快速冷卻到固態(tài)。相反，原子像玻璃一樣隨機(jī)排列，賦予玻璃和金屬的材料特性。

根據(jù)它們的組成元素——通常包括鋯、鈦和銅——它們可以非常堅(jiān)固，并且因?yàn)樗鼈儾皇墙Y(jié)晶的，所以它們是有彈性的�；舴蚵�解釋說，大多數(shù)組合物還會(huì)形成堅(jiān)硬、光滑的陶瓷氧化物表面，并指出這些特性共同使由一些非晶態(tài)金屬制成的齒輪具有較長的使用壽命而無需潤滑。這對 NASA 非常重要，因?yàn)槟�可以在不潤滑變速箱的情況下運(yùn)行變速箱。

但是非晶態(tài)金屬還有另一個(gè)特性，使它們對地球上的齒輪具有吸引力：“這些合金的設(shè)計(jì)熔點(diǎn)很低，因?yàn)橐�制造金屬玻璃，必須使合金的冷卻速度快于它的結(jié)晶速度，”Hofmann說。這種低熔點(diǎn)，加上它們的天然強(qiáng)度和固化時(shí)體積幾乎不變化的事實(shí)，使大塊金屬玻璃易于用于注塑成型，這可以顯著降低制造齒輪等零件的成本。

Hofmann 說，這就是使用非晶態(tài)金屬成型可以帶來最大節(jié)省的地方：它的成本大約是用鋼加工應(yīng)變波齒輪的一半。成型小型、高性能行星齒輪和應(yīng)變波齒輪成為 Hofmann 于 2014 年共同創(chuàng)立的 Amorphology 的核心業(yè)務(wù)計(jì)劃。通過加州理工學(xué)院，該公司獲得了他為 NASA 開發(fā)的多項(xiàng)技術(shù)專利。