纽约大学突破机械史：液体齿轮实现无接触传动，替代金属齿牙

一组工程师展示了机械工程领域的一项突破性进展：旋转部件可以仅通过液体传递运动，而无需依赖齿轮、齿牙或任何物理接触。

研究人员在流体中驱动一个光滑的圆柱体，利用两者之间受控的液流，成功引导临近的另一个圆柱体进行可预测的旋转，甚至包括反向转动。

这一成果预示着一类新型机械耦合装置的诞生。它们能够跨越间隙传递速度和方向，包容对准误差，并规避限制传统齿轮寿命的磨损、卡死和断裂问题。

在一个透明的环形水箱内，两个光滑的圆柱体被浸没在布满微小气泡的粘稠液体中。

纽约大学的张骏通过电机驱动其中一个圆柱体，观察另一个圆柱体的旋转情况。在实验过程中，随着张骏调整间距和驱动速率，被动圆柱体不仅改变了转速，甚至发生了转向逆转。

这种控制表明，只要周围的流体保持稳定，液体流动完全可以替代齿轮的齿牙。

在间距较近时，作为运动传递者的旋转圆柱体（转子）展现出了可靠的反向旋转模式。

在它们相对的壁面之间，液体形成了紧密的循环通道，推动一侧向前，拉动另一侧向后。气泡留下的条纹被困在这个间隙中，让团队得以观察到随着速度稳定，这种旋转模式是如何被锁定的。

而在更高的驱动速度下，流体开始打滑而非锁定，随着圆柱体间距拉大，这种耦合作用也随之减弱。

当空间增大且驱动速度加快时，液体不再局限于间隙，而是环绕在被动转子周围。

这种外部循环拖动被动表面向前，产生了“同向旋转”，即两个圆柱体同时朝同一方向转动。即便间距发生微小变化，这种外环运动依然有效，因为主流不再仅仅是从壁面之间挤压通过。

这种模式的表现更像是一个皮带传动装置，表明流体能够跨越那些会导致传统齿轮停滞的间隙来传递旋转。

在反向运动和同向运动之间，系统存在清晰的临界点，被动圆柱体的旋转方式会在此处突然发生翻转。

容器壁引导着移动的液体，迫使流体要么挤过圆柱体之间的间隙，要么绕道外部循环。随着主动圆柱体转速加快，这些流动路径发生重组，推动系统进入不同的运动状态。

这种突然的逆转意味着设备可以在不改变电机方向的情况下改变输出方向，尽管确切的切换点取决于具体的布局。

书面记录显示，早在公元前三世纪的亚历山大港，有齿齿轮便已出现，当时的希腊机械师制造了紧凑的齿轮组。

这些齿轮组让人们能够将稳定的转动转化为定时的显示，为水钟、磨坊和其他早期机器提供动力。一种名为安提基特拉机械装置的设备，在古希腊时期就利用咬合的青铜轮来预测月食和日食。

几千年来，工程师们一直依赖坚固的齿牙，因为没有其他东西能提供如此可预测的运动。

机械齿牙要求近乎完美的对准，因此磨损或碎屑可能将原本顺滑的传动变成容易卡死的停滞状态。

坚硬的齿牙还将力集中在细小的接触点上，因此一道裂纹就可能扩散并导致整对齿轮断裂。基于流体的齿轮避免了困扰传统系统的卡死和破损问题，同时允许速度和方向以固体齿轮无法实现的方式发生变化。

通过消除直接的齿牙接触，流体齿轮可以在遭受轻微损坏的情况下继续运行，仍旧传递旋转。

工程师无需重新设计金属部件，只需改变液体本身和间距即可调节流体齿轮。

更高的粘度——即流体感觉有多浓稠——使得流体在表面停留的时间更长，从而改变响应特性。

“我们发明了一种新型齿轮，它们通过旋转流体而非咬合齿牙来啮合，并且我们发现了控制旋转速度甚至方向的新能力，”张骏说道。

这种调节能力可以让机器在缓慢的扭转力和快速的旋转之间平滑过渡，而无需额外的齿轮级数。

在紧凑型机器人中，设计者通常将齿轮箱隐藏在关节附近，但灰尘、沙粒或皮肤油脂仍可能渗入其中。

基于流体的连接可以使运动部件保持微小间隙的分隔，让沙砾随流体旋出而非卡在其中。软体机器人执行器也能从中受益，因为液体连接能分散受力并减少硬性的夹点。

密封的流体传动装置或许适用于水下工具和实验室设备，但工程师需要找到能够防止泄漏的材料。

利用液体传递运动并非没有代价。随着流体移动，部分能量会损失，温度的变化也会改变运动从一个部件传递到另一个部件的强度。

微小的泄漏、滞留的空气或受污染的流体也会中断流动，使得现实世界的设计难以保持一致性。在这些系统出现在日常机器中之前，工程师需要证明它们无需持续调整即可可靠工作。

一对简单的旋转圆柱体将液体变成了可控的连接器，证明了运动可以通过流动本身传递。未来的设计将测试更大的转子网络，并需要在灵活性与能量损失及泄漏之间取得平衡。

这项研究已发表在《物理评论快报》上。