互动科普

一种能够适时地由液态转变为固态的新材料正开始在假肢器官、汽车和其它方面获得应用。

20世纪70年代初期，加州大学的Dean C.Karnopp和Lord公司的Michael J．Crosby，为使轿车、卡车和公共汽车的乘坐效果达到最佳，设想了一种理想的减震器。这种减震器与车辆一侧两车轮上方的车体相连，但向上一直延伸至两个悬空的假想挂钩，这两个挂钩随车辆一起运动。当车轮遇到凸起的地方颠簸行驶时，悬空挂钩就会下冲，使车体保持在一水平位置，这样汽车在泥泞路面上行驶起来就像在豪华地毯上一样平稳。

实际上，这正是常规减震器应发挥的作用。常规减震装置虽然也具有减震作用，但当汽车过快地翻越凸起的地方时，实际上却只能转移能量而不是吸收能量。当车轮遇到凸起的地方上行时，下冲式悬空挂钩必须慢慢关闭该装置的减振功能，然后当车轮滑入坑洼时再一点点地打开减震装置。主动装置和被动装置之间的差别就像直接接受迎面而来的一拳和避开正面冲击之间的差别。

Kamopp和Crosby研发的实验性减震器是一台电子机械减震器，它能根据探测路面颠簸情况的传感器提供的输入数据调整其阻力。事实证明这种方案太麻烦，且对20世纪70年代期间极注重成本的汽车工业来说也太昂贵。但这个主意却一直使Lord公司感兴趣，该公司是生产具有高技术含量的粘合剂和阻尼装置的专业化公司。

朝着研制主动悬挂装置目标前进的势头在20世纪80年代得以增强，当时该公司开始探索称之为电流变（ER）流体的独特材料，这些流体材料随电场强度增加不断固化。充有ER流体的减震器会慢慢变厚，正好提供了所需的必要阻尼运动。

但是这些ER流体的性质使 Lord公司的研究人员越来越感到困惑。 需要施加高电压才能使 ER流体固化，而且哪怕是暴露于最低限度的污染物和潮气中时，其电学性质也会迅速发生变化。“在实验室中还好办”，该公司工程师J．David Carlson说，“问题是当你试图把ER流体拿出实验室时，它们就难办了。”

这些缺陷直接导致了磁流变（MR）流体在20世纪40年代被当时在国家统计局工作的Jacob Rabinow所发现（他是一位高产的发明家，还发明了磁盘存储器。）MR流体的原理简单得就像高中科学实验：把铁粉放入油中，施加一个磁场，这些铁粉粒子就会像微型士兵一样一列列排好。同时MR流体在几毫秒内就变成了固体。

仔细分析了MR流体后，Carlson做了一些快速计算，马上意识到他可能已经发现了绕过ER材料难以操作这一障碍的一条途径。他说：“利用MR可研制出场强为ER流体场强20倍的流体，而且不用施加5000 V高压，12 V电压就可使MR流体的电磁场得以维持，这个电压在汽车中不用花钱就能得到。”该公司在六年时间内把其全部研究力量都转移到MR流体上：“我们有了一种全功能MR流体，它比任何ER阻尼器工作得都好。”

Lord公司的第一个应用是调整Nautilus家庭健身器阻力的MR装置。能耗低似乎是一个有吸引力的设计特点，汽车减震器相比健身自行车是一种要求较低的应用。这种健身器本来是瞄准家庭的，然而却很快进入了健康俱乐部。经过数月频繁和超量使用之后，这些健身器处于一种粘结状态——MR液体受热而变成粘胶。

Lord公司的研究人员不能确定的是，他们是否只须重新对充满悬浮粒子的油进行设计，抑或他们是否遇到了一种使MR在任何应用中都无法使用的基本材料性质。“这是世界上最脏的油”，Carlson解释道，“如果你与从事液压系统研究工作的人们谈纶此事，他们会告诉你要保持清洁。”Lord公司在两年时间里进行了各种各样的改进，改变油的组成、铁粉粒、添加剂及制作外壳和活塞的金属。在此期间，从事MR流体基础研究工作的小组和另一个试图用这些流体制作新产品的小组之间的关系也搞得很僵。最后，应用研究小组通过对各种配方的不断尝试，解决了这个问题。“我们试图做严密的科学研究，而这里却要用这种爱迪生方法”，材料处市场营销经理Lynn Yanyo说。当时的基础研究小组就是由他领导的。1997年管理部门将两个研究小组合并，从而消除了他们之间的对立。

其后的两种产品——汽车座垫减震器和一种允许假膝活动范围更大的装置——比健身器应用更成功。尽管这些生产商年产量不大，但他们却伤害了汽车制造商的利益，他们决不会再急于尝试未经试验的新技术。“谁都想当老二，”Yanyo说出了人们对未经试验的新材料的态度。在考虑机动车悬挂装置时，汽车制造商担心的是重量：50加仑的MR流体重达半吨。重量是制作假肢时要考虑的关键因素，但是到那时Lord公司的研究人员可能会强调假肢中使用的流体非常有限。

去年秋天，通用汽车公司宣布，它将采用含Lord公司MR流体的Delphi公司的减震器，以便在2003型Cadillacs车中安装一个称之为MagneRide的主动式悬挂装置。迄今为止Lord公司已为其MR流体开发了114种应用，包括洗衣机滚筒阻尼器以及能使建筑物和桥梁免受地震摇动危害的装置。也许有一天这种产品还能被用来为虚拟现实提供力反馈。

研究人员仍在继续回避一些人通过公司网站提出的应用咨询，这些人提出子弹击中时会变硬的防弹背心，或有可能取代“伟哥”的男性假器官。但人们对MR流体尚未形成看法。“如果MR流体的成本和能够给你带来90%好处的常规技术的成本差不多，那么MR流体可能就不会被广泛采用”，密歇根州福特研究实验室技术专家John Ginder说。他承认可能还会有一些应用，如某些种类的离合器，这些应用中MR流体技术可能具有显著的的性能优势。 

尽管仍存在异议，但即将到来的MR流体的商品化却标志着材料科学的一个里程碑。迄今，一些利用材料性质变化的新型材料还只是实验室中的玩意。而Lord公司则是第一批研制不仅能改变状态而且能和发货清单一起打包的产品的公司之一。 

【徐彬／译 杨世乐／校】