科學家發明了新型液體齒輪：這種用水驅動的齒輪不會發生磨損

這一進展或許能讓機器免于磨損和卡頓。作為最古老的工程部件之一，齒輪為人類文明的發展提供了數千年的動力。現在，美國紐約大學的工程師給齒輪加入了液體元素。

研究團隊開發出了一種新型齒輪機構，通過流體動力學原理來傳動，而不是依靠咬合齒輪來實現。這一發明顛覆了齒輪設計的基本原理，提供了更靈活、更耐用的新選擇。紐大和紐大上海分校的數學和物理學家張駿教授1月13日稱："我們發明了新型齒輪，該齒輪依靠攪動液體來傳動，而不是靠咬合齒輪。而且我們發現了控制轉速甚至方向的新功能。"

早在青銅時代（公元前3000年）早期，傳統齒輪就開始使用金屬、木頭或塑料做的固體齒輪來傳動。從古代中國的戰車到現代機器人，遵守的都是"齒輪咬合才能傳動"的規則。如果咬合不嚴密，這些齒輪系統就容易發生斷裂或卡頓。因此，紐約大學的研究團隊決定設計一個完全沒有咬合齒輪的系統，事實上這個系統中的元件互不接觸。

受到空氣和水驅動渦輪機的啟發，研究人員提出，對流體精確制導可以起到物理咬合齒輪的作用。一開始，研究人員進行了一系列試驗，將兩個圓柱體浸入水和甘油的粘稠混合物中。當他們用主動轉子轉動第一個圓柱體時，周圍的液體也不是靜止的，而是開始攪動。

根據轉子旋轉速度和兩個圓柱體間的距離，液體呈現出兩種截然不同的神奇狀態。當兩個圓柱體距離很近時，流體就像微小的齒輪，會推動第二個圓柱體朝著相反的方向旋轉，就如同瑞士手表中的齒輪。如果兩個圓柱體分得較遠，流體會繞著第二個圓柱體循環流動，如同一條看不見的風扇皮帶，這會帶動第二個圓柱體朝著相同方向旋轉。

標準的齒輪很容易壞，一顆沙粒或是一個微小的缺口都可能引發整個齒輪系統卡頓甚至碎裂。這就是你的汽車需要加油、你的自行車鏈條會斷掉的原因。紐約大學庫朗數學科學研究所的計算和數據科學副教授利夫·里斯特洛夫解釋道："常規齒輪的設計必須經過精心計算，以便咬合齒輪能完美嵌入，任何缺陷、間距不對或是沙粒都會引發齒輪卡頓。"

里斯特洛夫解釋道："流體齒輪不會有這些問題，而且它的速度和方向都可以改變，這是機械齒輪做不到的。"因為各元件之間從不互相接觸，所以不會出現斷裂的情況。如果有沙粒進入系統，液體會帶著它流動。液體齒輪的一項潛在用途是制造柔軟機器人。在未來，基于液體的傳動系統也許能取代堅硬的金屬部件。

它或許可以制造出能瞬間改變齒輪比的靈活機器，只需微調流體屬性就能實現。

這一研究結果1月13日發表在了《物理評論快報》期刊上。

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