科幻照進現(xiàn)實——“液態(tài)金屬人工肌肉”研制成功

楊勇

說起“液態(tài)金屬”，很多人首先想到的是電影《終結者2》中的大反派——液態(tài)金屬機器人T-1000。它的身體能像水一樣流動，可以毫無阻礙地穿過柵欄;它還能將雙手變成利刃，能變成其他人的樣子，甚至能偽裝成地板;子彈在它身上打出一個大孔，一轉眼它就能自動愈合。它的冷酷與強悍，讓主角吃了不少苦頭。

想象力是科技的起點，T-1000開啟了將液態(tài)金屬應用在機器人領域的夢想之門。如今，在現(xiàn)實世界中，這個幻想已經(jīng)得到了初步的實現(xiàn)。

可以流動的金屬

在日常生活中，金屬一般都有固定的形狀和較高的強度，它怎么可能是液體呢？其實，在自然界中本來就存在液態(tài)的金屬，最常見的就是體溫計中的水銀。

水銀在常溫下就是液態(tài)，只有溫度低于-38.87攝氏度時它才會變成固體。但是，水銀有兩個特性，一是有毒，二是容易揮發(fā)，這大大限制了它的用途。好在科學家可以通過人工合成的方法，制造出無毒且不易揮發(fā)的液態(tài)金屬，比如鎵基合金。

鎵是一種灰藍色或銀白色的金屬，元素符號是Ga，原子量是69.723。鎵的熔點很低，它在29.76攝氏度時就會變?yōu)殂y白色的液體。液態(tài)的鎵很容易過冷，也就是當它熔化以后，再冷卻至0攝氏度卻不會凝固，而是繼續(xù)保持液態(tài)。

近年來，鎵基液態(tài)金屬由于其獨特的表面性質及理化特性而成為研究熱點。鎵基液態(tài)金屬兼具液體和固體的一些特性，包括高電導/熱導率，良好的柔性，毒性極低且不易揮發(fā)。此外，它還可以通過改變電場、磁場、濃度梯度場及表面改性等方式，實現(xiàn)變形、移動、分離及融合等多種形態(tài)學變化。因此，它在微流體、生物醫(yī)學和機器人等領域都有很好的應用前景。

用液態(tài)金屬制造人工肌肉

2021年，中國科學技術大學工程科學學院張世武教授、金虎副研究員，聯(lián)合英國伯明翰大學唐詩楊博士、澳大利亞伍倫貢大學李衛(wèi)華教授、蘇州大學李相鵬教授，以及美國北卡羅來納州立大學Michael Dickey教授組成的研究組，提出了一種基于電化學方法改變液態(tài)金屬表面張力的液態(tài)金屬人工肌肉（LMAM），以模仿肌肉的收縮及舒張功能。

海洋鳥類漂泊信天翁可以連續(xù)飛行幾十天而不休息，飛行里程近15000千米;陸地上奔跑最快的動物之一的獵豹，捕獵時最快速度能達到29米/秒（104.4千米/時），接近汽車在高速公路上飛速行駛的速度……自然界中動物特異的運動能力很大程度上得益于它們卓越的肌肉性能。受肌肉出色性能的吸引，人們對研制能夠模仿肌肉運動如伸縮、旋轉、彎曲等的人工肌肉越來越感興趣。

用液態(tài)金屬制造的人工肌肉，能在不同酸堿度的溶液中工作，最大伸展速度達到15毫米/秒，最大應變達到87%。另外，這種人工肌肉所需的驅動電壓極小，舒張時驅動電壓僅需0.5伏，收縮時僅需4伏。這項研究成果有望為柔性驅動器在微機電系統(tǒng)、生物醫(yī)學等領域的應用提供全新思路。相關成果以“A Liquid Metal Artificial Muscle”（液態(tài)金屬人工肌肉）為題發(fā)表在《Advanced Materials》（《先進材料》）雜志上。

液態(tài)金屬人工肌肉的工作原理

液態(tài)金屬人工肌肉究竟是如何工作的呢？

你一定見過在荷葉上滾來滾去的水珠吧，是表面張力讓水珠維持近球狀。鎵基液態(tài)金屬的表面極易被氧化，形成一層氧化膜。未被氧化時，鎵基液態(tài)金屬具有目前已知液體中最大的表面張力，大約是水的10倍。因此，一滴鎵基液態(tài)金屬無論是滴在桌面上，還是放在掌心里，都會像荷葉上的水珠一樣呈近球狀。而在氧化以后，鎵基液態(tài)金屬的表面張力可以突然降到接近0，這時鎵基液態(tài)金屬會變成扁平泥狀。

研究人員利用電化學方法，讓鎵基液態(tài)金屬在還原與氧化兩種狀態(tài)之間，快速、可逆地切換。鎵基液態(tài)金屬處于還原狀態(tài)時，表面張力大，形狀為近球狀;處于氧化狀態(tài)時，表面張力小，形狀為扁平泥狀。在它改變形態(tài)的過程中，會向外輸出力和位移，這就是液態(tài)金屬人工肌肉的工作原理。

如上圖所示，在4滴液態(tài)金屬液滴上下兩端布置電極，讓液態(tài)金屬在電極之間形成液橋。當電極提供氧化電壓（+4伏）時，液滴從近球狀變成扁平泥狀，液橋高度降低，人工肌肉“收縮”;當電極提供還原電壓（-0.5伏）時，液滴從扁平泥狀恢復成近球狀，液橋恢復初始高度，人工肌肉“舒張”。就這樣，液態(tài)金屬的形態(tài)變化，被轉化成了驅動行程及驅動力。在0.25赫茲電壓（-0.5伏到4伏）驅動下，人工肌肉能提供約20毫牛的拉力，40毫牛的推力，超過1毫米的驅動行程。

研究人員通過對驅動參數(shù)進行優(yōu)化，以及將驅動單元串并聯(lián)，來提升液態(tài)金屬人工肌肉的性能。此外，他們還開發(fā)出一種用液態(tài)金屬人工肌肉驅動的仿生機器魚。該機器魚僅由一節(jié)80毫安時的鋰電池供電，游動速度就能達到10厘米/分，并且續(xù)航時間可以達到40分鐘。

這項研究證實了液態(tài)金屬人工肌肉在低輸入電壓下具備卓越的驅動性能，為未來開發(fā)基于低功率驅動器機器人系統(tǒng)奠定了一定的基礎。