柔性機器人設計和制造的關鍵性一步———能吃能跑的液態金屬

柔性機器人設計和制造的關鍵性一步———能吃能跑的液態金屬

理化所與清華大學聯合研發出世界首個自主運動的可變形液態金屬機器引起國際重要反響,為可變形材料特別是液體機器的設計和制造邁出了關鍵性的一步，一定程度上從理論和技術的層面論證了實現液態金屬機器人的可能性。編輯宋玉泉

中科院理化所科研人員用兩個電極對“銀漿”- -也就是液態金屬鎵的合金”，實施通電后，平鋪在一個直徑5厘米、高約2厘米的圓形玻璃培養皿里的“銀漿”迅速從正極向負極靠攏，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“吞掉”小銀球，進而形成一個更大的球體。同時，在電場控制下，這些“銀漿”很容易實現高速自旋運動，并在周圍水體中誘發出同樣處于快速旋轉狀態下的漩渦對。其變形機制在于液態金屬與水體交界面上的雙電層效應。

研究揭示，置于電解液中的鎵基液態合金可通過“攝入”鋁作為食物或燃料提供能量，實現高速、高效的長時運轉，一小片鋁即可驅動直徑約5 mm的液態金屬球實現長達

個多小時的持續運動，速度高達5cm/s。這種柔性機器既可在自由空間運動，又能于各種結構槽道中蜿蜒前行；令人驚訝的是，它還可隨沿程槽道的寬窄自行作出變形調整，遇到拐彎時則有所停頓，好似略作思索后繼續行進，整個過程仿佛科幻電影中的終結者機器人現身一般。應該說，液態金屬機器一系列非同尋常的習性已相當接近一些自然界簡單的軟體生物，比如：能“吃”食物（燃料），自主運動，可變形，具備一定代謝功能（化學反應），因此作者們將其命名為液態金屬軟體動物。

在迄今所發展的各種柔性機器中，自主型液態金屬機器所表現出的變形能力、運轉速度與壽命水平等均較為罕見，這為其平添了諸多重要用途。作為具體應用器件之一，該項研究還特別展示了首個無需外界電力的液態金屬泵，通過將其限定于閥座內，可達到自行旋轉并泵送流體的目的，據此可快速制造出大量微泵，滿足諸如藥液、陣列式微流體的輸運等，成本極低；若將此類柔型泵用作降溫，還可實現高度集成化的微芯片冷卻器；進一步的應用可發展成血管或腔道機器人甚至是可自我組裝的液態金屬智能機器等。

液態金屬的定義

液態金屬即非晶材料，是指材料的結構，這是與納米晶、晶態、準晶不同的概念，一般材料均是以晶體的形式存在，而非晶（金屬玻璃）的特性是長程無序（短程有序）、亞穩態（一定溫度晶化）、一定程度上的物理特性各向同性、沒有確切熔點、具有玻璃轉化溫度點等，具有固態、金屬、玻璃的特性，又稱金屬玻璃，可以在一定條件下具有高強度、高硬度、塑性、熱傳導和耐磨性等。

液態金屬特點

研究發現，液態金屬兼有玻璃、金屬、固體和液體的特性，是一類全新性的高性能金屬材料，具備很多不同于傳統玻璃材料的獨特的性質，并持有金屬材料的很多最高紀錄。

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

2)是迄今為止發現的最強的穿甲材料，最容易加工成型的金屬材料，最耐蝕的金屬材料，將它浸在強酸、強堿性液體中，仍能完好無損；

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（超塑性），所以它又是最理想的微、納米加工材料之一；

4 )液態金屬的強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勢，隨著制備工藝的改善和成本降低，液態金屬材料的用途將進一步明朗化。

還記得《終結者2》里那個大反派液態金屬機器，身體呈液態狀，中槍后，被子彈打穿的洞很快會被補平，可以隨意變形。如果把電子編程看作是神經調控，液態金屬看作‘細胞’功能執行單元，通過電子芯片進行編程并結合一定的材料技術，就可以讓液態金屬實現可控的變形和組裝集成，并實現傳統型剛性和硬質機器人無法做到的無縫連接。

自驅動液態金屬機器的問世引申出了全新的可變形機器概念，將顯著提速柔性智能機器的研制進程。當前，全球圍繞先進機器人的研發活動正處于如火如荼的階段，若能充分發揮液態金屬所展示出的各種巨大潛力，并結合相關技術，將引發諸多超越傳統的機器變革。劉靜小組關于液態金屬自驅動效應和相應機器形態的發現，為今后發展高級的柔性智能機器人技術開辟了全新途徑，具有十分重要的科學意義和實際應用價值。

目前已經應用液體金屬技術的產品包括冬奧會冠軍使用的HEAD滑雪板、OMEGA手表等。如果你是iPhone的用戶，那么你肯定見過這種液體金屬，因為SIM卡槽捅針就是用這種材質制作的。如果有興趣的話，可以試試將它放在地上打磨，不會留下任何劃痕，磁鐵也無法將它吸住，要想將它變形更是難上加難。如果用這種材質制造手機外殼，將會更加輕薄，雖然堅硬程度和不銹鋼一樣，可摸起來卻不像金屬那樣冰冷，還具有很強的耐用性和抗腐蝕性，簡直就是金屬和塑料材質的完美結合

未來相關研究有望在民用、醫療、科學探索等多個領域一展身手。比如，在救災中，柔性機器人可以穿過狹小的空隙再恢復原形并繼續執行任務；在醫療中，可研制沿血管包括人體自然腔道運動的柔性機器人。甚至，在外太空探索中的微重力或無重力環境下，也可發展對應的機器來執行相應任務。

圍繞可變形機器這一重大基礎前沿和戰略需求，融合液態金屬材料、生物學、機器人、流體力學、電子、傳感器以及計算機等學科的知識，系統發展可變形室溫液態金屬機器的理論與技術體系，全面揭示室溫液態金屬超常的構象轉換、變形與運動機理及調控方法，以期為未來研發尖端柔性機器并開辟全新應用創造條件，最終促成可變形機器從理論到應用技術上的全面突破。

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