纽约大学研发“液体齿轮” 无需接触也能传递旋转动力

纽约大学研究团队近日开发出一种全新的“液体齿轮”系统，这种装置无需传统齿轮的实体齿牙彼此啮合，而是通过流体运动传递旋转力，有望为机械设备带来更强的适应性与耐用性。

这项研究由纽约大学数学与物理学教授、纽约大学上海教授张军领衔完成，相关成果已发表于《Physical Review Letters》。研究人员表示，他们发明了一类依靠带动流体旋转而非依靠齿牙咬合来“啮合”的新型齿轮系统，并发现这种设计不仅能够控制旋转速度，甚至还能调节旋转方向。

齿轮作为机械系统中的基础部件，已有数千年历史，最早可追溯至公元前约3000年的中国，当时曾被用于穿越戈壁沙漠的双轮战车。此后，齿轮又广泛出现在古希腊安提基特拉机械装置、风车、钟表以及现代机器人等各种装置中。

不过，传统齿轮长期存在一定局限。无论材料是木材、金属还是塑料，齿牙结构本身都较为刚性，容易受损，同时还必须在位置上实现精确对齐，否则就可能影响运转效果。也正因如此，研究团队开始探索，是否可以在没有实体齿牙、甚至没有部件直接接触的情况下，实现类似齿轮的传动行为。

研究人员认为，既然空气和水流本就能够驱动涡轮等装置，那么经过精密控制的流体流动，理论上也可以承担传统齿轮齿牙的功能。为验证这一设想，团队开展了细致实验，使用浸没在甘油和水混合液中的圆柱形转子，通过调节液体的黏度和密度，控制流体的运动特性。

在实验中，一个圆柱转子由外部动力驱动旋转，另一个则保持被动状态。研究人员预测，主动转子的运动会在液体中形成流场，从而带动被动转子转动。为了更直观观察流体如何传递动力，团队还在液体中加入了微小气泡，用于显示流动轨迹；同时，他们还测试了不同转子间距和不同转速条件下的表现。

结果显示，旋转圆柱与周围液体之间的相互作用，确实能够模拟出不同类型的机械传动系统。当两个圆柱彼此靠近时，液体的作用方式类似传统齿轮间相互咬合的齿牙，会使被动转子朝相反方向旋转；而当两者距离更远、主动转子转得更快时，液体会以类似皮带包裹皮带轮的方式作用在被动转子上，使两个转子朝同一方向转动。

研究团队认为，与传统齿轮相比，这种基于流体的齿轮方案具有多项潜在优势。纽约大学库朗数学、计算与数据科学研究所副教授Leif Ristroph表示，普通齿轮必须经过精密设计，确保齿牙恰好匹配，任何缺陷、间距误差或细小颗粒都可能造成卡滞；而“液体齿轮”则不存在这些问题，其转速和旋转方向还可以实现传统机械齿轮难以达到的调节方式。