新研究讓液態(tài)金屬機器能“跑”能“跳”

    近期，中國科學院理化技術(shù)研究所聯(lián)合清華大學研究組，首次報道了由液態(tài)金屬驅(qū)動的金屬絲振蕩效應、金屬顆粒觸發(fā)型液態(tài)金屬跳躍現(xiàn)象等，并研發(fā)出鍍有磁性功能層的自驅(qū)動液態(tài)金屬機器乃至以液態(tài)金屬為車輪的微型車輛，其中2項研究以封面文章形式發(fā)表。

    此前，液態(tài)金屬機器均以純液態(tài)方式出現(xiàn)，固液組合機器效應的發(fā)現(xiàn)和技術(shù)突破，使得液態(tài)金屬機器自此有了功能性內(nèi)外骨骼，將提速柔性機器的研制進程。

    觀察者網(wǎng)注意到，這個科研團隊的帶頭人是中科院理化所雙聘研究員、清華大學教授劉靜。

    2013年6月，把液態(tài)金屬做成打印“墨水”，劉靜團隊首次研發(fā)出紙上直接生成電子電路的技術(shù)。一年后，團隊又研發(fā)出世界首臺室溫液態(tài)金屬打印機，借助該設(shè)備，只需在計算機上設(shè)定程序，就可以“打”出個性化的電路系統(tǒng)。2015年初，劉靜帶領(lǐng)的團隊造出世界首臺液態(tài)金屬機器的相關(guān)論文引起《科學》等權(quán)威網(wǎng)站的關(guān)注，被形容為制造出“終結(jié)者”。

    劉靜團隊近期在發(fā)表于《先進科學》（Advanced Science）上的題為Liquid Metal Machine Triggered Violin-like Wire Oscillator（10.1002/advs.201600212，2016；封面文章）的論文中，研究小組報道了一種異常獨特的液態(tài)金屬固液組合機器的自激振蕩效應：將處理過的銅絲觸及含鋁的液態(tài)金屬時，銅絲會被液態(tài)金屬迅速吞入，并隨后在液態(tài)金屬機體上做長時間往復穿梭運動，如同演奏音樂中的小提琴琴弦一般（圖1）。

    
    圖1 期刊封面故事及液態(tài)金屬機器驅(qū)動的銅絲浸潤與自激振蕩現(xiàn)象

    此外，用不銹鋼絲觸碰液態(tài)金屬，還可對銅絲的振蕩行為加以調(diào)頻調(diào)幅操控。造成上述現(xiàn)象的機制主要在于，鋁與堿溶液反應引發(fā)液態(tài)金屬與銅絲兩端出現(xiàn)浸潤力差異所致，這里，銅絲、液態(tài)金屬、電解液及氫氣之間多相界面的動態(tài)耦合產(chǎn)生了節(jié)律性牽引力。這一突破性發(fā)現(xiàn)革新了傳統(tǒng)的界面科學認識，也為柔性智能機器的研制打開了新思路，還可發(fā)展出流體、電學、機械、光學等系統(tǒng)的控制開關(guān)。

    在發(fā)表于《應用物理學快報》（Applied Physics Letters）上的題為Jumping Liquid Metal Droplet in Electrolyte Triggered by Solid Metal Particles（108, 223901, 2016）的論文中，作者們發(fā)現(xiàn)了一類有趣的液態(tài)金屬跳躍行為（圖2）：向放有金屬液滴的溶液體系中加入固體金屬顆粒（鎳、鐵等）后，原本靜止的金屬液滴開始跳動起來，并在容器底留下一串餅狀“腳印”。

    
    圖2 液態(tài)金屬液滴被鎳粉顆粒觸發(fā)后在NaOH溶液中產(chǎn)生的跳躍行為

    研究揭示，金屬顆粒與液態(tài)金屬表面發(fā)生點接觸時，交界面處電場強度顯著增強，以至會在溶液內(nèi)電解產(chǎn)氫，氫氣泡在基底不斷吸附長大形成“氣體彈簧”，這就為液滴跳躍提供了推力。導致電場極化的因素之一是來自液態(tài)金屬與固體金屬顆粒之間的電勢差即原電池效應（圖3）；另一原因則在于，固-液材料界面間微觀形貌差異會導致電荷累積，繼而引發(fā)尖端放電效應。

    圖3 金屬液滴與固體金屬顆粒發(fā)生點接觸后界面電場出現(xiàn)極化的原理和現(xiàn)象

    在《材料化學學報B》（Journal of Materials Chemistry B）上的論文Self-Propelled Liquid Metal Motors Steered by Magnetic or Electrical Field for Drug Delivery（4, 5349, 2016, 封面文章）中，研究小組通過電鍍方法在液態(tài)金屬表面鑲嵌鐵磁性鎳層，由此實現(xiàn)了機器在外部磁場或電場作用下的靈活控制（圖4），并驗證了其在藥物遞送方面的潛在價值。超越于無規(guī)則運動型液態(tài)金屬機器的是，該磁性固液組合機器可實現(xiàn)運動起停、轉(zhuǎn)向和加速等復雜行為。

    
    圖4 期刊封面故事及鍍有鎳殼的固液組合式磁性液態(tài)金屬機器的可控與自主運動

    進一步地，研究小組還發(fā)展出一種以柔性可變形“車輪”驅(qū)動的微型車輛，其由金屬液滴及經(jīng)3D打印的塑料本體組合而成。在電場作用下，液態(tài)金屬“車輪”可發(fā)生旋轉(zhuǎn)變形，繼而驅(qū)動車輛行進、加速乃至實現(xiàn)更多復雜運動（圖5）。采用類似于四驅(qū)車的結(jié)構(gòu)，研究小組證實其可在攜帶重物0.4 g的情況下以25 mm/s速度運動。這種固液組裝型柔性機器的設(shè)計概念可衍生出更多復雜的可控機器結(jié)構(gòu)。相應研究發(fā)表在RSC Advances（Liquid Metal Wheeled Small Vehicle for Cargo Delivery, 6, 56482-56488, 2016）上。

    圖5 柔性可變形液態(tài)金屬車輪驅(qū)動的單輪車及四驅(qū)車在電場控制下的運動行為

    十多年來，由中科院理化所研究員劉靜帶領(lǐng)的團隊圍繞液態(tài)金屬開展了大量原創(chuàng)性探索，在芯片冷卻、先進制造、電子技術(shù)、生物醫(yī)療及柔性機器等領(lǐng)域取得全面突破。團隊迄今已發(fā)現(xiàn)30類以上具有重要科學意義的液態(tài)金屬基礎(chǔ)現(xiàn)象或效應，研發(fā)出數(shù)十種實用技術(shù)，在包括北京、云南、廣東等地在內(nèi)的全國范圍內(nèi)推動產(chǎn)業(yè)化，先后促成了領(lǐng)先性液態(tài)金屬產(chǎn)品生產(chǎn)線、研發(fā)中心及科技館的建設(shè)落成，多種產(chǎn)品進入市場，提出的創(chuàng)建液態(tài)金屬谷乃至發(fā)展液態(tài)金屬全新工業(yè)體系的構(gòu)想也正從理想變成現(xiàn)實，成果在海內(nèi)外學術(shù)界和工業(yè)界產(chǎn)生重大影響。

    近些年，劉靜團隊一直在致力于聯(lián)合工業(yè)界推動液態(tài)金屬產(chǎn)業(yè)化應用。“我們有幸在液態(tài)金屬研究上走在世界前頭，但在產(chǎn)業(yè)方面不能落后，我們要把握歷史機遇，幫助我國建成世界級的液態(tài)金屬谷。”劉靜說。

    離造出“變形機器人”還有很長路要走

    隨著科技的不斷進步，液態(tài)金屬已經(jīng)走進了我們的視野，但擁有液態(tài)金屬就意味著能制造出“變形機器人”嗎？

    澳大利亞皇家墨爾本理工大學的科學家在今年8月也表示，他們使用一種液態(tài)金屬合金制造出能自主操作的開關(guān)和泵。最新技術(shù)可用于制造能像活組織一樣行動的電子設(shè)備，甚至類似“T-1000終結(jié)者”那樣的3D液態(tài)金屬機器人。盡管目前“T-1000”離完全實現(xiàn)還有不少技術(shù)障礙，但澳大利亞的科學家稱他們已朝這一方向“邁出了堅實的一步”。

    研發(fā)世界首個液態(tài)金屬機器的清華大學醫(yī)學院生物醫(yī)學工程系教授劉靜

    理想情況下，利用這項技術(shù)，人們無需對機器人進行如何的塑形，只需要按照一定程序來改變水的酸堿成分，金屬就能自行達到既定的形狀。這項技術(shù)達到一定程度之后將徹底改變鋼材的應用范圍。比如當無人機需要穿越一個較為低矮的地方，如果采用了這種液態(tài)金屬之后，它可以瞬間變成扁平狀，一舉飛躍障礙。

    當然，墨爾本理工大學的研究者也承認，這項技術(shù)還有很長的路要走，短時間內(nèi)想要實現(xiàn)它根本是不可能的。建造液態(tài)金屬機器人所需要的編程復雜性將遠超目前的方法。更困難的是，想要達到“變形機器人”的這種高度，勢必要求內(nèi)部的所有智能設(shè)備也必須采用液態(tài)金屬，就目前的情況來看，我們還找不到一項合適的技術(shù)能夠解決。

    液態(tài)金屬

    “液態(tài)金屬”指的是一種不定型金屬，可看作由正離子流體和自由電子氣組成的混合物。

    液態(tài)金屬是一種有黏性的流體，具不穩(wěn)定性。它可通過充型過程，形成各種鑄件。在液態(tài)金屬與水體交界面上的雙電層效應，可以令室溫液態(tài)金屬具有在不同形態(tài)和運動模式之間轉(zhuǎn)換的普適變形能力。比如，浸沒于水中的液態(tài)金屬對象可在低電壓作用下呈現(xiàn)出大尺度變形；一塊很大的金屬液膜可在數(shù)秒內(nèi)即收縮為單顆金屬液球。

    2015年3月，由劉靜研究員帶領(lǐng)的中國科學院理化技術(shù)研究所、清華大學醫(yī)學院聯(lián)合研究小組發(fā)表論文稱，他們研制出了世界上首臺液態(tài)金屬機器。該研究成果為研制實用化智能馬達、血管機器人、流體泵送系統(tǒng)、柔性執(zhí)行器乃至更為復雜的液態(tài)金屬機器人奠定了理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

    劉靜研究小組發(fā)現(xiàn)，在電解液中，一塊鎵基液態(tài)合金，在“吞食”鋁作為食物或燃料后，竟可以變形機器形態(tài)長時間高速運動，實現(xiàn)了無需外部電力的自主運動。“有趣的是，我們觀察到，這種變形機器不僅能在自由空間運動，還能在各種結(jié)構(gòu)槽道中前行。更令人驚訝的是，它還會根據(jù)槽道的寬窄自行調(diào)整，拐彎時則有所停頓，好似人在遇到障礙物‘思索’后行進，像極了科幻電影《終結(jié)者》中的液態(tài)機器人。”劉靜說。他們稱該液態(tài)金屬機器為“軟體動物”，因為它呈現(xiàn)的一系列非同尋常的特性，已經(jīng)相當接近自然界簡單的軟體生物。

    自主型液態(tài)金屬機器所展示的人工軟體動物、實物馬達及其驅(qū)動流體情形

    可變形液態(tài)金屬機器在內(nèi)含電解液的容器或各種槽道中的自主運動情形