近日，上海纽约大学数学与物理学教授、纽约大学全球特聘教授张骏带领团队提出一种全新的“流体齿轮”机制：通过精准控制流体运动，实现旋转动力的传递。传统齿轮的起源可追溯至中国古代，而这项研究突破了依赖实体齿牙啮合的耦合，有望为更灵活、更耐用的新一代机械装置提供传动方案。相关成果发表于物理学顶级期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）。
“我们创造了一种完全不依赖齿轮咬合的传动机制。”论文资深作者张骏教授表示，“它利用液体的流动或者叫流体的剪切力来传递旋转力，这不仅能控制转速，还能在一定条件下切换旋转方向——这是传统机械齿轮很难实现的能力。”
齿轮是人类最古老的机械部件之一。早在公元前3000年左右，中国古代的双轮战车就已借助齿轮结构行进于戈壁等复杂地形。古希腊时期，齿轮被用于驱动著名的安提凯希拉装置，以推算天体位置。此后，从风车、钟表到如今的机器人系统，齿轮始终是机械装置中不可或缺的基础部件。
然而，传统齿轮的齿牙（无论木材、金属还是塑料）都缺乏柔韧性，既容易因受力不均而损坏，也必须高度精确地啮合才能顺畅运转。任何制造缺陷、间距误差，甚至微小杂质，都可能导致卡顿、失效。
为突破这些局限，张骏教授与纽约大学库朗数学科学研究所副教授 Leif Ristroph 以及纽约大学博士研究生 Jesse Etan Smith 提出：能否构建一种具备齿轮功能、却不需要齿牙、甚至无需接触的装置？
受风力与水力涡轮机工作原理的启发，研究团队设想：如果能够准确引导流体的运动，流体本身或许可以扮演齿轮上“齿牙”的角色。为验证这一设想，研究人员开展了一系列精细实验：将两个圆柱形转子浸没在甘油-水混合溶液中，并调控液体的黏度、密度等物理性质。
实验中，一个转子由外部动力驱动主动旋转，另一个不施加动力、处于被动状态。研究人员推测，主动转子所激发的流体流动能够带动被动转子旋转。为观测这一过程，他们在溶液中加入微小气泡，用以追踪流体的运动轨迹，从而直观看到流体如何在两转子之间传递旋转运动。此外，研究人员还系统改变两转子之间的距离，并调整主动转子的转速，以比较不同条件下的传动模式。
纽约大学研究人员构建的一种依靠水力驱动的齿轮机制。在某些条件下，两个转子同向旋转，类似由皮带传动的滑轮（左上）；在另一些条件下，转子反向旋转，类似一对相互啮合的齿轮（右上）。视频来源｜纽约大学应用数学实验室
研究发现，主动转子通过周围流体带动被动转子时，可呈现两种不同的运动模式：一种类似齿轮啮合 (内部咬合)，另一种类似皮带驱动的滑轮联动（外部连动）。
当两转子间距极近时，它们之间形成的涡旋流场会像“齿轮齿”一样在相对侧面产生有效“啮合”，从而“抓住”被动转子，使其与主动转子反向旋转。相反，当两转子间距增大且主动转子转速提高时，流体会在被动转子外侧形成环状“流带”，类似皮带绕过滑轮，带动被动转子与主动转子同向旋转。
论文作者指出，这类“流体齿轮”或“流体滑轮”系统具备广阔的应用前景，并相较现有机械结构展现出显著优势。“传统齿轮必须经过精密设计，确保齿牙精准啮合；任何缺陷、间距误差或一点点杂质，都可能导致卡滞。” Ristroph 教授解释道，“流体齿轮可以避开这些问题，而且其转速乃至旋转方向的调控方式，也能实现一些机械齿轮难以做到的变化。”