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上海仪器仪表展|“跃动壳”:环境监测领域的智能新利器

美国北卡罗来纳州立大学研发的“跃动壳”(metashell)技术,为环境监测带来突破性解决方案。这种无需外部刺激或计算机控制的动态结构,通过材料物理特性实现预设时间自动跳跃,在环境数据采集、生态监测等领域展现出独特应用价值。  

上海仪器仪表展|“跃动壳”:环境监测领域的智能新利器-

上海仪器仪表展了解到,“跃动壳”采用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)制成球形结构,通过复杂晶格设计最大化能量储存能力。当施加压力时,结构被压缩变形并进入“蠕变”状态,缓慢恢复至临界点后瞬间释放能量完成跳跃。其核心优势在于:  

·时间精准可控:通过调整压力施加时长,可设定3秒至58小时的跳跃延迟,误差不超过±5%。例如,在冻土监测场景中,可预设24小时后跳跃以规避夜间低温干扰。  

·高度按需调节:受力时间与跳跃高度呈负相关,最长延迟下高度可达自身1/2,最短延迟时则能跃升至9倍高度,适应不同地形的数据采集需求。  

实验显示,“跃动壳”在-15℃低温、沙地、水面等复杂环境中均能稳定工作。在北极苔原模拟测试中,其在积雪覆盖的硬地面上成功实现预设12小时跳跃,高度达80厘米,为冻土融化监测提供了可靠的原位数据采集手段。这种环境适应性源于PET材料的耐候性与结构设计的抗干扰能力,即使在强风或轻微震动下,仍能保持能量储存与释放的稳定性。  

上海仪器仪表展了解到,受凤仙花种子传播机制启发,改良后的“跃动壳”可搭载微型传感器(如温湿度、土壤盐分探针),跳跃时将传感器模块弹射至1.5米范围内的不同点位。在森林生态监测中,单个装置即可覆盖半径5米的区域,自动完成多点位土壤湿度数据采集,效率较传统人工布放提升10倍以上。  

研究团队正探索将形状记忆合金与PET结合,进一步拓展“跃动壳”的环境适应性,计划开发可在强酸/强碱环境中工作的耐腐蚀版本。此外,通过集成生物降解材料,未来该结构可应用于生物标志物投放,如在湿地生态修复中定时释放微生物菌剂,实现精准生态干预。  

从北极冻土到热带雨林,“跃动壳”以其极简设计与智能特性,为环境监测提供了“部署即自主工作”的全新范式。这种无需外部能源的定时结构,不仅降低了长期监测的运维成本,更以其独特的跳跃机制突破了传统传感器的空间限制,有望成为全球气候变化研究、生态保护与污染治理的核心技术工具。

文章来源:科技日报

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