紐約大學突破機械史：液體齒輪實現無接觸傳動，替代金屬齒牙

一組工程師展示了機械工程領域的一項突破性進展：旋轉部件可以僅通過液體傳遞運動，而無需依賴齒輪、齒牙或任何物理接觸。

研究人員在流體中驅動一個光滑的圓柱體，利用兩者之間受控的液流，成功引導臨近的另一個圓柱體進行可預測的旋轉，甚至包括反向轉動。

這一成果預示著一類新型機械耦合裝置的誕生。它們能夠跨越間隙傳遞速度和方向，包容對準誤差，并規避限制傳統齒輪壽命的磨損、卡死和斷裂問題。

在一個透明的環形水箱內，兩個光滑的圓柱體被浸沒在布滿微小氣泡的粘稠液體中。

紐約大學的張駿通過電機驅動其中一個圓柱體，觀察另一個圓柱體的旋轉情況。在實驗過程中，隨著張駿調整間距和驅動速率，被動圓柱體不僅改變了轉速，甚至發生了轉向逆轉。

這種控制表明，只要周圍的流體保持穩定，液體流動完全可以替代齒輪的齒牙。

在間距較近時，作為運動傳遞者的旋轉圓柱體（轉子）展現出了可靠的反向旋轉模式。

在它們相對的壁面之間，液體形成了緊密的循環通道，推動一側向前，拉動另一側向后。氣泡留下的條紋被困在這個間隙中，讓團隊得以觀察到隨著速度穩定，這種旋轉模式是如何被鎖定的。

而在更高的驅動速度下，流體開始打滑而非鎖定，隨著圓柱體間距拉大，這種耦合作用也隨之減弱。

當空間增大且驅動速度加快時，液體不再局限于間隙，而是環繞在被動轉子周圍。

這種外部循環拖動被動表面向前，產生了“同向旋轉”，即兩個圓柱體同時朝同一方向轉動。即便間距發生微小變化，這種外環運動依然有效，因為主流不再僅僅是從壁面之間擠壓通過。

這種模式的表現更像是一個皮帶傳動裝置，表明流體能夠跨越那些會導致傳統齒輪停滯的間隙來傳遞旋轉。

在反向運動和同向運動之間，系統存在清晰的臨界點，被動圓柱體的旋轉方式會在此處突然發生翻轉。

容器壁引導著移動的液體，迫使流體要么擠過圓柱體之間的間隙，要么繞道外部循環。隨著主動圓柱體轉速加快，這些流動路徑發生重組，推動系統進入不同的運動狀態。

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

書面記錄顯示，早在公元前三世紀的亞歷山大港，有齒齒輪便已出現，當時的希臘機械師制造了緊湊的齒輪組。

這些齒輪組讓人們能夠將穩定的轉動轉化為定時的顯示，為水鐘、磨坊和其他早期機器提供動力。一種名為安提基特拉機械裝置的設備，在古希臘時期就利用咬合的青銅輪來預測月食和日食。

幾千年來，工程師們一直依賴堅固的齒牙，因為沒有其他東西能提供如此可預測的運動。

機械齒牙要求近乎完美的對準，因此磨損或碎屑可能將原本順滑的傳動變成容易卡死的停滯狀態。

堅硬的齒牙還將力集中在細小的接觸點上，因此一道裂紋就可能擴散并導致整對齒輪斷裂。基于流體的齒輪避免了困擾傳統系統的卡死和破損問題，同時允許速度和方向以固體齒輪無法實現的方式發生變化。

通過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運行，仍舊傳遞旋轉。

工程師無需重新設計金屬部件，只需改變液體本身和間距即可調節流體齒輪。

更高的粘度——即流體感覺有多濃稠——使得流體在表面停留的時間更長，從而改變響應特性。

“我們發明了一種新型齒輪，它們通過旋轉流體而非咬合齒牙來嚙合，并且我們發現了控制旋轉速度甚至方向的新能力，”張駿說道。

這種調節能力可以讓機器在緩慢的扭轉力和快速的旋轉之間平滑過渡，而無需額外的齒輪級數。

在緊湊型機器人中，設計者通常將齒輪箱隱藏在關節附近，但灰塵、沙粒或皮膚油脂仍可能滲入其中。

基于流體的連接可以使運動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。軟體機器人執行器也能從中受益，因為液體連接能分散受力并減少硬性的夾點。

密封的流體傳動裝置或許適用于水下工具和實驗室設備，但工程師需要找到能夠防止泄漏的材料。

利用液體傳遞運動并非沒有代價。隨著流體移動，部分能量會損失，溫度的變化也會改變運動從一個部件傳遞到另一個部件的強度。

微小的泄漏、滯留的空氣或受污染的流體也會中斷流動，使得現實世界的設計難以保持一致性。在這些系統出現在日常機器中之前，工程師需要證明它們無需持續調整即可可靠工作。

一對簡單的旋轉圓柱體將液體變成了可控的連接器，證明了運動可以通過流動本身傳遞。未來的設計將測試更大的轉子網絡，并需要在靈活性與能量損失及泄漏之間取得平衡。

這項研究已發表在《物理評論快報》上。