一組工程師展示了機(jī)械工程領(lǐng)域的一項(xiàng)突破性進(jìn)展：旋轉(zhuǎn)部件可以?xún)H通過(guò)液體傳遞運(yùn)動(dòng)，而無(wú)需依賴(lài)齒輪、齒牙或任何物理接觸。

研究人員在流體中驅(qū)動(dòng)一個(gè)光滑的圓柱體，利用兩者之間受控的液流，成功引導(dǎo)臨近的另一個(gè)圓柱體進(jìn)行可預(yù)測(cè)的旋轉(zhuǎn)，甚至包括反向轉(zhuǎn)動(dòng)。

這一成果預(yù)示著一類(lèi)新型機(jī)械耦合裝置的誕生。它們能夠跨越間隙傳遞速度和方向，包容對(duì)準(zhǔn)誤差，并規(guī)避限制傳統(tǒng)齒輪壽命的磨損、卡死和斷裂問(wèn)題。

在一個(gè)透明的環(huán)形水箱內(nèi)，兩個(gè)光滑的圓柱體被浸沒(méi)在布滿(mǎn)微小氣泡的粘稠液體中。

紐約大學(xué)的張駿通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)其中一個(gè)圓柱體，觀察另一個(gè)圓柱體的旋轉(zhuǎn)情況。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，隨著張駿調(diào)整間距和驅(qū)動(dòng)速率，被動(dòng)圓柱體不僅改變了轉(zhuǎn)速，甚至發(fā)生了轉(zhuǎn)向逆轉(zhuǎn)。

這種控制表明，只要周?chē)牧黧w保持穩(wěn)定，液體流動(dòng)完全可以替代齒輪的齒牙。

在間距較近時(shí)，作為運(yùn)動(dòng)傳遞者的旋轉(zhuǎn)圓柱體（轉(zhuǎn)子）展現(xiàn)出了可靠的反向旋轉(zhuǎn)模式。

在它們相對(duì)的壁面之間，液體形成了緊密的循環(huán)通道，推動(dòng)一側(cè)向前，拉動(dòng)另一側(cè)向后。氣泡留下的條紋被困在這個(gè)間隙中，讓團(tuán)隊(duì)得以觀察到隨著速度穩(wěn)定，這種旋轉(zhuǎn)模式是如何被鎖定的。

而在更高的驅(qū)動(dòng)速度下，流體開(kāi)始打滑而非鎖定，隨著圓柱體間距拉大，這種耦合作用也隨之減弱。

當(dāng)空間增大且驅(qū)動(dòng)速度加快時(shí)，液體不再局限于間隙，而是環(huán)繞在被動(dòng)轉(zhuǎn)子周?chē)?/p>

這種外部循環(huán)拖動(dòng)被動(dòng)表面向前，產(chǎn)生了“同向旋轉(zhuǎn)”，即兩個(gè)圓柱體同時(shí)朝同一方向轉(zhuǎn)動(dòng)。即便間距發(fā)生微小變化，這種外環(huán)運(yùn)動(dòng)依然有效，因?yàn)橹髁鞑辉賰H僅是從壁面之間擠壓通過(guò)。

這種模式的表現(xiàn)更像是一個(gè)皮帶傳動(dòng)裝置，表明流體能夠跨越那些會(huì)導(dǎo)致傳統(tǒng)齒輪停滯的間隙來(lái)傳遞旋轉(zhuǎn)。

在反向運(yùn)動(dòng)和同向運(yùn)動(dòng)之間，系統(tǒng)存在清晰的臨界點(diǎn)，被動(dòng)圓柱體的旋轉(zhuǎn)方式會(huì)在此處突然發(fā)生翻轉(zhuǎn)。

容器壁引導(dǎo)著移動(dòng)的液體，迫使流體要么擠過(guò)圓柱體之間的間隙，要么繞道外部循環(huán)。隨著主動(dòng)圓柱體轉(zhuǎn)速加快，這些流動(dòng)路徑發(fā)生重組，推動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)入不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

這種突然的逆轉(zhuǎn)意味著設(shè)備可以在不改變電機(jī)方向的情況下改變輸出方向，盡管確切的切換點(diǎn)取決于具體的布局。

書(shū)面記錄顯示，早在公元前三世紀(jì)的亞歷山大港，有齒齒輪便已出現(xiàn)，當(dāng)時(shí)的希臘機(jī)械師制造了緊湊的齒輪組。

這些齒輪組讓人們能夠?qū)⒎€(wěn)定的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為定時(shí)的顯示，為水鐘、磨坊和其他早期機(jī)器提供動(dòng)力。一種名為安提基特拉機(jī)械裝置的設(shè)備，在古希臘時(shí)期就利用咬合的青銅輪來(lái)預(yù)測(cè)月食和日食。

幾千年來(lái)，工程師們一直依賴(lài)堅(jiān)固的齒牙，因?yàn)闆](méi)有其他東西能提供如此可預(yù)測(cè)的運(yùn)動(dòng)。

機(jī)械齒牙要求近乎完美的對(duì)準(zhǔn)，因此磨損或碎屑可能將原本順滑的傳動(dòng)變成容易卡死的停滯狀態(tài)。

堅(jiān)硬的齒牙還將力集中在細(xì)小的接觸點(diǎn)上，因此一道裂紋就可能擴(kuò)散并導(dǎo)致整對(duì)齒輪斷裂?；诹黧w的齒輪避免了困擾傳統(tǒng)系統(tǒng)的卡死和破損問(wèn)題，同時(shí)允許速度和方向以固體齒輪無(wú)法實(shí)現(xiàn)的方式發(fā)生變化。

通過(guò)消除直接的齒牙接觸，流體齒輪可以在遭受輕微損壞的情況下繼續(xù)運(yùn)行，仍舊傳遞旋轉(zhuǎn)。

工程師無(wú)需重新設(shè)計(jì)金屬部件，只需改變液體本身和間距即可調(diào)節(jié)流體齒輪。

更高的粘度——即流體感覺(jué)有多濃稠——使得流體在表面停留的時(shí)間更長(zhǎng)，從而改變響應(yīng)特性。

“我們發(fā)明了一種新型齒輪，它們通過(guò)旋轉(zhuǎn)流體而非咬合齒牙來(lái)嚙合，并且我們發(fā)現(xiàn)了控制旋轉(zhuǎn)速度甚至方向的新能力，”張駿說(shuō)道。

這種調(diào)節(jié)能力可以讓機(jī)器在緩慢的扭轉(zhuǎn)力和快速的旋轉(zhuǎn)之間平滑過(guò)渡，而無(wú)需額外的齒輪級(jí)數(shù)。

在緊湊型機(jī)器人中，設(shè)計(jì)者通常將齒輪箱隱藏在關(guān)節(jié)附近，但灰塵、沙?；蚱つw油脂仍可能滲入其中。

基于流體的連接可以使運(yùn)動(dòng)部件保持微小間隙的分隔，讓沙礫隨流體旋出而非卡在其中。軟體機(jī)器人執(zhí)行器也能從中受益，因?yàn)橐后w連接能分散受力并減少硬性的夾點(diǎn)。

密封的流體傳動(dòng)裝置或許適用于水下工具和實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，但工程師需要找到能夠防止泄漏的材料。

利用液體傳遞運(yùn)動(dòng)并非沒(méi)有代價(jià)。隨著流體移動(dòng)，部分能量會(huì)損失，溫度的變化也會(huì)改變運(yùn)動(dòng)從一個(gè)部件傳遞到另一個(gè)部件的強(qiáng)度。

微小的泄漏、滯留的空氣或受污染的流體也會(huì)中斷流動(dòng)，使得現(xiàn)實(shí)世界的設(shè)計(jì)難以保持一致性。在這些系統(tǒng)出現(xiàn)在日常機(jī)器中之前，工程師需要證明它們無(wú)需持續(xù)調(diào)整即可可靠工作。

一對(duì)簡(jiǎn)單的旋轉(zhuǎn)圓柱體將液體變成了可控的連接器，證明了運(yùn)動(dòng)可以通過(guò)流動(dòng)本身傳遞。未來(lái)的設(shè)計(jì)將測(cè)試更大的轉(zhuǎn)子網(wǎng)絡(luò)，并需要在靈活性與能量損失及泄漏之間取得平衡。

這項(xiàng)研究已發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上。