柔性機(jī)器人設(shè)計(jì)和制造的關(guān)鍵性一步———能吃能跑的液態(tài)金屬

柔性機(jī)器人設(shè)計(jì)和制造的關(guān)鍵性一步———能吃能跑的液態(tài)金屬

理化所與清華大學(xué)聯(lián)合研發(fā)出世界首個(gè)自主運(yùn)動(dòng)的可變形液態(tài)金屬機(jī)器引起國(guó)際重要反響,為可變形材料特別是液體機(jī)器的設(shè)計(jì)和制造邁出了關(guān)鍵性的一步，一定程度上從理論和技術(shù)的層面論證了實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬機(jī)器人的可能性。編輯宋玉泉

中科院理化所科研人員用兩個(gè)電極對(duì)“銀漿”- -也就是液態(tài)金屬鎵的合金”，實(shí)施通電后，平鋪在一個(gè)直徑5厘米、高約2厘米的圓形玻璃培養(yǎng)皿里的“銀漿”迅速?gòu)恼龢O向負(fù)極靠攏，并凝聚成幾顆大小不一的“小銀球”；再用電源接近它們，大銀球就會(huì)“吞掉”小銀球，進(jìn)而形成一個(gè)更大的球體。同時(shí)，在電場(chǎng)控制下，這些“銀漿”很容易實(shí)現(xiàn)高速自旋運(yùn)動(dòng)，并在周?chē)w中誘發(fā)出同樣處于快速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的漩渦對(duì)。其變形機(jī)制在于液態(tài)金屬與水體交界面上的雙電層效應(yīng)。

研究揭示，置于電解液中的鎵基液態(tài)合金可通過(guò)“攝入”鋁作為食物或燃料提供能量，實(shí)現(xiàn)高速、高效的長(zhǎng)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，一小片鋁即可驅(qū)動(dòng)直徑約5 mm的液態(tài)金屬球?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)達(dá)

個(gè)多小時(shí)的持續(xù)運(yùn)動(dòng)，速度高達(dá)5cm/s。這種柔性機(jī)器既可在自由空間運(yùn)動(dòng)，又能于各種結(jié)構(gòu)槽道中蜿蜒前行；令人驚訝的是，它還可隨沿程槽道的寬窄自行作出變形調(diào)整，遇到拐彎時(shí)則有所停頓，好似略作思索后繼續(xù)行進(jìn)，整個(gè)過(guò)程仿佛科幻電影中的終結(jié)者機(jī)器人現(xiàn)身一般。應(yīng)該說(shuō)，液態(tài)金屬機(jī)器一系列非同尋常的習(xí)性已相當(dāng)接近一些自然界簡(jiǎn)單的軟體生物，比如：能“吃”食物（燃料），自主運(yùn)動(dòng)，可變形，具備一定代謝功能（化學(xué)反應(yīng)），因此作者們將其命名為液態(tài)金屬軟體動(dòng)物。

在迄今所發(fā)展的各種柔性機(jī)器中，自主型液態(tài)金屬機(jī)器所表現(xiàn)出的變形能力、運(yùn)轉(zhuǎn)速度與壽命水平等均較為罕見(jiàn)，這為其平添了諸多重要用途。作為具體應(yīng)用器件之一，該項(xiàng)研究還特別展示了首個(gè)無(wú)需外界電力的液態(tài)金屬泵，通過(guò)將其限定于閥座內(nèi)，可達(dá)到自行旋轉(zhuǎn)并泵送流體的目的，據(jù)此可快速制造出大量微泵，滿(mǎn)足諸如藥液、陣列式微流體的輸運(yùn)等，成本極低；若將此類(lèi)柔型泵用作降溫，還可實(shí)現(xiàn)高度集成化的微芯片冷卻器；進(jìn)一步的應(yīng)用可發(fā)展成血管或腔道機(jī)器人甚至是可自我組裝的液態(tài)金屬智能機(jī)器等。

液態(tài)金屬的定義

液態(tài)金屬即非晶材料，是指材料的結(jié)構(gòu)，這是與納米晶、晶態(tài)、準(zhǔn)晶不同的概念，一般材料均是以晶體的形式存在，而非晶（金屬玻璃）的特性是長(zhǎng)程無(wú)序（短程有序）、亞穩(wěn)態(tài)（一定溫度晶化）、一定程度上的物理特性各向同性、沒(méi)有確切熔點(diǎn)、具有玻璃轉(zhuǎn)化溫度點(diǎn)等，具有固態(tài)、金屬、玻璃的特性，又稱(chēng)金屬玻璃，可以在一定條件下具有高強(qiáng)度、高硬度、塑性、熱傳導(dǎo)和耐磨性等。

液態(tài)金屬特點(diǎn)

研究發(fā)現(xiàn)，液態(tài)金屬兼有玻璃、金屬、固體和液體的特性，是一類(lèi)全新性的高性能金屬材料，具備很多不同于傳統(tǒng)玻璃材料的獨(dú)特的性質(zhì)，并持有金屬材料的很多最高紀(jì)錄。

1)是迄今為止最強(qiáng)的金屬材料（屈服強(qiáng)度和斷裂韌性最高）和最軟的（屈服強(qiáng)度最低）金屬材料之一；

2)是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最強(qiáng)的穿甲材料，最容易加工成型的金屬材料，最耐蝕的金屬材料，將它浸在強(qiáng)酸、強(qiáng)堿性液體中，仍能完好無(wú)損；

3)具有接近陶瓷的硬度，卻又能在一定溫度下能像橡皮泥一樣的柔軟，像液體那樣流動(dòng)（超塑性），所以它又是最理想的微、納米加工材料之一；

4 )液態(tài)金屬的強(qiáng)度是不銹鋼或鈦的兩倍，易塑形堪比塑料，兼具了鋼鐵和塑料的優(yōu)勢(shì)，隨著制備工藝的改善和成本降低，液態(tài)金屬材料的用途將進(jìn)一步明朗化。

還記得《終結(jié)者2》里那個(gè)大反派液態(tài)金屬機(jī)器，身體呈液態(tài)狀，中槍后，被子彈打穿的洞很快會(huì)被補(bǔ)平，可以隨意變形。如果把電子編程看作是神經(jīng)調(diào)控，液態(tài)金屬看作‘細(xì)胞’功能執(zhí)行單元，通過(guò)電子芯片進(jìn)行編程并結(jié)合一定的材料技術(shù)，就可以讓液態(tài)金屬實(shí)現(xiàn)可控的變形和組裝集成，并實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)型剛性和硬質(zhì)機(jī)器人無(wú)法做到的無(wú)縫連接。

自驅(qū)動(dòng)液態(tài)金屬機(jī)器的問(wèn)世引申出了全新的可變形機(jī)器概念，將顯著提速柔性智能機(jī)器的研制進(jìn)程。當(dāng)前，全球圍繞先進(jìn)機(jī)器人的研發(fā)活動(dòng)正處于如火如荼的階段，若能充分發(fā)揮液態(tài)金屬所展示出的各種巨大潛力，并結(jié)合相關(guān)技術(shù)，將引發(fā)諸多超越傳統(tǒng)的機(jī)器變革。劉靜小組關(guān)于液態(tài)金屬自驅(qū)動(dòng)效應(yīng)和相應(yīng)機(jī)器形態(tài)的發(fā)現(xiàn)，為今后發(fā)展高級(jí)的柔性智能機(jī)器人技術(shù)開(kāi)辟了全新途徑，具有十分重要的科學(xué)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

目前已經(jīng)應(yīng)用液體金屬技術(shù)的產(chǎn)品包括冬奧會(huì)冠軍使用的HEAD滑雪板、OMEGA手表等。如果你是iPhone的用戶(hù)，那么你肯定見(jiàn)過(guò)這種液體金屬，因?yàn)镾IM卡槽捅針就是用這種材質(zhì)制作的。如果有興趣的話(huà)，可以試試將它放在地上打磨，不會(huì)留下任何劃痕，磁鐵也無(wú)法將它吸住，要想將它變形更是難上加難。如果用這種材質(zhì)制造手機(jī)外殼，將會(huì)更加輕薄，雖然堅(jiān)硬程度和不銹鋼一樣，可摸起來(lái)卻不像金屬那樣冰冷，還具有很強(qiáng)的耐用性和抗腐蝕性，簡(jiǎn)直就是金屬和塑料材質(zhì)的完美結(jié)合

未來(lái)相關(guān)研究有望在民用、醫(yī)療、科學(xué)探索等多個(gè)領(lǐng)域一展身手。比如，在救災(zāi)中，柔性機(jī)器人可以穿過(guò)狹小的空隙再恢復(fù)原形并繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)；在醫(yī)療中，可研制沿血管包括人體自然腔道運(yùn)動(dòng)的柔性機(jī)器人。甚至，在外太空探索中的微重力或無(wú)重力環(huán)境下，也可發(fā)展對(duì)應(yīng)的機(jī)器來(lái)執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)。

圍繞可變形機(jī)器這一重大基礎(chǔ)前沿和戰(zhàn)略需求，融合液態(tài)金屬材料、生物學(xué)、機(jī)器人、流體力學(xué)、電子、傳感器以及計(jì)算機(jī)等學(xué)科的知識(shí)，系統(tǒng)發(fā)展可變形室溫液態(tài)金屬機(jī)器的理論與技術(shù)體系，全面揭示室溫液態(tài)金屬超常的構(gòu)象轉(zhuǎn)換、變形與運(yùn)動(dòng)機(jī)理及調(diào)控方法，以期為未來(lái)研發(fā)尖端柔性機(jī)器并開(kāi)辟全新應(yīng)用創(chuàng)造條件，最終促成可變形機(jī)器從理論到應(yīng)用技術(shù)上的全面突破。

·關(guān)注天津·