液態金屬可變形機器人：科幻走進現實

汪鴻章 陳森 單曉暉

機器人是一種能夠自主或半自主執行功能的智能機器，有沒有一種機器人可在不同形態之間任意切換，以執行傳統機器人難以完成的特殊任務？如在抗震救災過程中，機器人可改變自身形態，穿越建筑廢墟的狹縫，完成探測救援任務；又如，在遭受巨大的破壞后，機器人可瞬間自修復，繼續執行功能。這一功能的實體早在中國神話故事中就已出現：“土行孫”可直接穿越泥土的狹縫；孫悟空具有隨意變身的法術。實現任意變形的功能不僅僅是出現在神話中，也是全世界科技界和工程界的夙愿。科幻電影《終結者》中的可變形液態金屬機器人T-1000則將這一夙愿推向了高潮。液態金屬機器人可以化成流淌的液體鉆過任意狹縫，又可緩緩浮出地面，自組裝成人形；即使身體裂開兩半，也可以瞬間恢復如初。這一天馬行空想象，成為一批科學家矢志不渝、努力奮斗的終極目標。T-1000的科技原型液態金屬機器正是他們所研究的對象，而中國在這一領域處于國際競爭的前沿。

液態金屬典型特征是具有良好的流動性、超高的導電導熱特性、低熔點和高沸點、高表面張力、多刺激響應特性。液態金屬可變形機器人主要是由鎵和鎵基合金構成，具備智能響應特性，可自主或半自主執行功能，為智能機器人的研究提供了廣闊的空間。液態金屬機器人技術一旦突破成功，將科幻帶進現實，必將革新人類日常生活的方方面面。

液態金屬大尺度變形現象

2014年，我國科學家首次揭示了液態金屬可在不同形態之間可逆切換行為[3]，開啟了液態金屬可變形機器從科幻逐漸走進現實的新時代。研究者發現，浸沒在水中的鎵基液態金屬可在低電壓刺激下，呈現出大幅度變形行為，一灘液態金屬可在瞬間收縮為金屬液滴，表面積變化可達上千倍，甚至可以輕易鉆過較自身狹窄多倍的縫隙。液態金屬可以“分身”出若干金屬液滴，并有序向一側移動；不僅如此，兩個分離的液態金屬球可以相互靠近并融合，合二為一。調整電壓和電極位置，液態金屬還可以實現高速自旋運動以及定向高速運動。進一步地，研究者發現通過化學—電學協同控制，精確調控表面張力，可實現完全可逆的變形行為，液態金屬可以在球體和鋪展狀態之間可逆調節。研究者揭示了這一系列變形行為與界面雙電層的形成和液態金屬表面可逆氧化有關。調整接觸基底、電解質類型，還可以實現更多千奇百怪的行為。例如，在浸入堿性溶液的石墨表面，液態金屬可以快速鋪展開來，能被塑造成更多形狀。在電場作用下，液態金屬甚至可逆重力蠕動爬行。結合3D打印固體器件，液態金屬還可以作為可變形車輪，在低電壓刺激下，即可帶動車身運動，遇到狹窄的槽道，液態金屬變形以帶動車身鉆過狹縫。

研究團隊進一步拓展了液態金屬可變形機器的多場驅動方式，通過金屬胞吞作用，賦予液態金屬以磁響應特性，以擺脫機器受限于溶液環境的問題，從而實現三維空間的可控運動。通過磁場調控，液態金屬機器還可實現可逆的固液切換，使得剛柔并濟的可變形機器人成為了可能。

這些基礎發現革新了人們對于液態金屬可變形機器的認識，通過傳統的剛性材料或流體是難以復現上述現象。事實上，這些行為已經滿足構筑液態金屬可變形機器的基本要素，為研制新型可變形機器開辟了全新途徑。這一工作在國際上引發重大反響，成為液態金屬可變形機器人領域的開端。

液態金屬爬行機器人

爬行軟體機器人是一類用柔性可變形材料研制的機器人，能夠自由改變自身的形狀，實現多種運動功能。自然界中各種生物經過數億年的演化，可以通過各種身體變化以在復雜的自然環境中快速運動。例如，樹上的尺蠖利用身體的收縮以及頭部和尾部摩擦力的變化，實現定向蠕動爬行，在樹葉間來回穿梭。液態金屬具有良好的熱導率，可以更快地傳導熱量，研究人員利用這個特性，從而仿生制造了一種可以在溫度刺激下可控運動的爬行機器人。研究人員巧妙地將高導熱率的液態金屬與低沸點液體和硅橡膠混合，開發出一種具有溫度響應功能的液態金屬復合材料作為爬行機器人軀干，使其可在外界溫度刺激下實現快速大尺度膨脹和收縮。借助結合3D打印技術加工的具有選擇性抓取和放松（改變摩擦力） 的雙足，爬行機器人可以在冷熱刺激下充分發揮液態金屬復合材料的可控收縮和膨脹性能，以改變機器人軀干的長度，驅動機器人向前運動。

不僅仿生蠕蟲爬行機器人的研發和應用受到了廣泛關注，彈跳、滾動等運動形式的機器人也引起研究人員的興趣。例如，利用液態金屬產生氫氣后使其爆炸提供動力，可使彈跳型運動機器人實現自身高度數十倍的跳躍并輕松跨越障礙，展現其在探險和救援領域的巨大應用潛力；利用熱刺激、電刺激或化學刺激等方式持續驅動液態金屬液滴運動，可使輪式液態金屬運動機器人改變重心，實現持續滾動功能[5]。這一系列液態金屬爬行運動機器人的創新研究與新型應用，彌補了傳統剛性機器人剛性結構及驅動復雜等缺陷，擴大了機器人的應用范圍，促進了特種機器人系統的發展。

液態金屬水下機器人

我們生活在一個藍色星球，其中水域面積占地球總面積的71%左右。在這廣闊無垠的水面下蘊藏著巨大的寶藏，而為了對水下情況進行探索就須使用水下機器人。對于水母，相信很多人都見過，它晶瑩剔透，游動時動作優美、流暢、靈活、高效，因而成為水下機器人領域競相模仿的對象。液態金屬在室溫條件下具有良好的流動性和導電性，研究人員基于此特性制造了一種可在水下工作的水母機器人并完成了綜合測試[6]。為了制備液態金屬水母機器人，研究人員首先通過倒模制造了硅膠流道，將液態金屬注入流道中，由此可制成具有液態金屬線圈的彈性膜。然后，永磁鐵被放入水母傘狀體中用以產生磁場，在永磁鐵產生的磁場中，對液態金屬線圈通入電流使薄膜受到安培力作用。當通交流電時，薄膜將受到吸引和排斥的力，通過上下運動帶動周圍的薄膜以及觸手運動。該方法利用液態金屬柔性線圈在電磁場中的運動實現了液態金屬水母機器人在水下的運動。實驗表明，此仿生水下機器人運動輕柔，對周圍生物的影響甚微，具有獨特的優勢，有望用于水下救援、調查取樣、海底監測、資源探測等各種領域。

液態金屬微納米機器人

微納米機器人屬于分子仿生學的范圍，以分子水平的生物學原理作為設計原型，在微納米空間制作微型機器人。因為其獨特的優勢，微納米機器人研究吸引了國內外大量研究人員的關注，一些科研成果已經開始用于醫療和國防等領域。以往的研究中，研究人員利用已知的生物或細胞結構作為納米機器人的結構骨架來制備微納米機器人，獲得了納米齒輪、納米馬達、血管機器人等多種微納米機器。那么液態金屬作為一類性能優異的可被多場驅動的智能軟材料，能否用于制造微納米機器呢？答案是肯定的。經過數年的努力，我國液態金屬微納米機器人技術獲得了長足的發展，研究人員制造了多種液態金屬微納米機器人，并且逐步將這些機器人應用于實際中。研究人員也發現，聲場也可對大量液態金屬微納米顆粒進行調控，實現液態金屬微納米液滴運動等功能[7]。利用這種聲場驅動的特性，液態金屬微納米機器人可用于靶向疾病治療。基于液態金屬的優異特性，我們有理由相信在不遠的將來，液態金屬微納米機器人將在更多的領域發揮更大的作用。

液態金屬自驅動機器人

液態金屬最令人驚異的行為或許是可以像生命那樣通過吞食“燃料”獲得長時間運動的能力。世界上首個液態金屬自主運動機器或稱仿生軟體動物于2015年誕生[8]，宣告液態金屬智能機器邁入新時代，為人類研制自主獨立的可變形機器“終結者”指明了方向。研究發現置于電解質溶液中的液態金屬可通過“吞食”微量鋁箔補充能量，實現高速、高效的運動，直徑僅為幾毫米的金屬機器可以持續運動超過1小時，速度每分鐘可達數千毫米。有意思的是，該變形機器不僅能在自由空間運動，在特殊槽道空間亦可蜿蜒前行，還可根據槽道寬窄調節自身體積從而順利通過。在圓形槽道中的液態金屬機器可被分離成若干個小型液態金屬機器，它們可以相互追逐，最終能融為一體，繼續運動。該液態金屬機器的尺寸可大可小，從數十微米到數十毫米不等。在中性溶液乃至酸堿溶液中均可自主運動。更有趣的是，液態金屬機器置于電解質溶液中的石墨表面，可以自主伸出“偽足”，仿佛在探索周圍的環境，這已經相當接近于自然界的原生動物。

自驅動現象背后的機制也被揭示，液態金屬、金屬燃料等形成的內生電場，誘發了液態金屬的表面張力差異，從而對變形的液態金屬機器帶來了強大推力。另外，電化學反應過程中產生的氣體進一步為液態金屬運動提供了助力。雙重作用產生了液態金屬自驅動行為。研究者基于此原理研制了無需外界電力的液態金屬泵，可以實現藥液和冷卻流體的輸運，有望用于血管或腔道機器人、芯片冷卻裝置等。這一突破性發現為研制實用化可變形機器人奠定了理論和技術基礎，在國際上引起了較大反響，先后得到Nature、Nature Materials、Science News等的評介報道，國際知名雜志發表評論稱“真正的液態金屬終結者T-1000誕生于中國實驗室”。

結 語

總的來說，不同于傳統的固態機器，液態金屬機器的問世引申出全新的可變形機器人概念，已被公認為機器人領域最具發展前景的重大方向之一。液態金屬機器還處在方興未艾的早期階段，大部分屬于基礎技術探索，成熟的產業應用非常少，距離研發出實際可應用于生活的“終結者”變形機器人還有很長的路要走。不過毫無疑問，目前取得的系列進展足以令人興奮，從宏觀到微觀均有涉及，科幻電影中的情節也與現實越來越近，有望滿足科學界和工業界對可變形機器的重大需求。因此需要一大批學者和產業界通力合作，構建基礎理論框架，突破技術瓶頸，把握發展機遇，推動液態金屬可變形機器人早日落地產業化。

國內團隊目前仍然占據液態金屬可變形機器人領域的研究高地，包括清華大學、中國科學院、中國科學技術大學、哈爾濱工業大學、蘇州大學、北京航空航天大學、武漢大學、華中科技大學、深圳大學等研究機構的學者和產業界做出了突出貢獻。作為新興概念和產業，液態金屬可變形機器蘊含著眾多的研究機遇，諸如液態金屬智能復合材料的發展，揭示新材料的獨特變形運動機理，構筑調控手段；液態金屬與生物學、機器人、電子學等領域的交叉融合，進一步促成液態金屬可變形機器人理論與應用技術體系革新，為學科前沿提供豐富的研究空間；從工業實際需求切入，精準推動液態金屬可變形機器人的基礎研發，構建配套基礎設施，并逐漸培育產業化市場，促進工業體系發展。

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關鍵詞：液態金屬 可變形機器人 自驅動系統 納米機器人 ■