世界首个自主运动的可变形液态金属机器 液态金属机器用途

席德

看过好莱坞影片《终结者》的观众，一定会对影片中始终不能被击败的液态金属机器人印象深刻。它在受到外界打击后，不仅可以任意改变外表，还能像液体一样重新聚集，恢复原貌。
　　 这一科学幻想色彩浓厚的机器人也许未来将成为现实。近日，清华大学医学院与中国科学院理化技术研究所联合研究小组，研发出了世界首个自主运动的可变形液态金属机器，为研发可变形机器人迈出了重要一步，为人类制造出可变形机器人“终结者”指明了方向。
　　 神奇特性
　　 能“吃”、会动、自主变形，这个机器身段很柔软
　　 该联合小组近日在期刊《先进材料》上发表论文，宣布在世界上首次发现液态金属有一种异常独特的现象和机制，即液态金属可在吞食少量物质后以可变形机器形态，长时间高速运动。
　　 该小组负责人，清华大学教授、中国科学院理化技术研究所双聘研究员刘静说，实验发现，置于电解液中的镓基液态合金可通过“摄入”铝，作为提供能量的燃料，实现高速、高效、长时间的运转：仅需一小片铝即可驱动直径约5毫米的液态金属球完成长达1个多小时的持续运动，速度高达5厘米/秒。
“有趣的是，我们观察到，这种变形机器不仅能在自由空间运动，还能在各种结构槽道中前行。更令人惊讶的是，它还会根据槽道的宽窄自行调整，拐弯时则有所停顿，好似人在遇到障碍物‘思索’后行进，像极科幻电影《终结者》中的液态机器人。”刘静说。
　　 刘静和他的研究团队亲切地称该液态金属机器为“软体动物”，因为它呈现的一系列非同寻常的特性，已经相当接近自然界简单的软体生物。
　　 该研究小组已经在实验室中制成了不同大小的液态金属机器，尺寸从数十微米到数厘米不等，并在不同电解液环境如碱性、酸性乃至中性溶液中验证了其自主运动的性能。
　　 研究人员还揭示了这种自主型液态金属机器的动力的主要来源：一是液态合金、金属燃料等形成的内生电场，诱发了液态金属表面的高表面张力发生不对称响应，从而对变形的液态金属机器带来了强大推力；二是，上述电化学反应过程中产生的氢气进一步为液态金属运动提供了推力。
　　 刘静研究小组一直致力于液态金属相关研究。2014年，该小组在世界上首次发现电场控制下液态金属与水的复合体可在各种形态及运动模式之间发生转换的基本现象，在此基础上，经过试验，在一次偶然研究中，发现了液态金属这一具有自主可变的特性。刘静表示，作为新兴的功能材料，液态金属拥有许多常规材料不具备的新奇物理特性，对它的深入研究能为材料科学提供丰富的研究空间。
未来用途
　　 智能血管机器人、可变形救灾机器人，幻想离现实更近了
　　 目前，全球正围绕先进机器人进行各类研发竞争，该论文发表后，引起世界范围内众多科学杂志、专业网站的关注和讨论。分析人士表示，自驱动液态金属机器的问世及其引申出的全新的可变形机器概念，有望变革传统的机器制造理念，提速柔性智能机器的研制进程。
　　 刘静介绍，研究小组还做出了推动自主运动液态金属的具体应用器件，在发表的论文中，研究人员展示了全球首个无需外界电力的液态金属泵，通过将其限定于阀座内，可达到自行旋转并泵送流体的目的。人们可由此快速制造出大量微泵，满足诸如药液、阵列式微流体的输运等，成本极低。若将此类柔型泵用作降温，还可实现高度集成化的微芯片冷却器，进一步的应用可发展成血管或腔道机器人。
　　 刘静说，做出能在不同形态之间自由转换的可变形柔性机器，以执行常规技术难以完成的特殊任务，是科学界与工程界长久以来的梦想。比如，在抗震救灾或特定的军事行动中，变形柔性机器人能根据需要适时变形，以穿过狭小的通道、门缝乃至散布于建筑物中的空隙，之后再重新恢复原形并继续执行任务。
　　 要制造出此类高级机器人，可变形性和柔性特征是极为关键的一环。刘静说，当前，机器人普遍作为一种刚体机器发挥作用，这与自然界中人或动物有着平滑柔软的外表以及无缝连接方式完全不同。作为国际前沿研究方向，科技界也在这方面做出诸多探索，也发明了一些具有柔性特征的机器人，但它们离理想中的高级机器人所应拥有的柔软和变形能力还有很大距离。
　　 业界认为，人们一旦突破了材料和技术理念的限制，柔性智能机器人的作用将远远超过现有的机器人。刘静小组研发的能够自主运动液态金属机器，由于无需外部电力驱动，柔性极佳，为可变形材料特别是液体机器的设计和制造迈出了关键的一步，为研制实用化智能马达、血管机器人乃至更为复杂的液态金属机器人提供了理论基础和技术上实现的方向。
　　 刘静说，未来科学家还可将这种智能液态金属单元扩展到三维，组装出具有特殊造型和可编程能力的仿生物或人形机器，甚至还能研制出相应的机器，在外太空微重力或无重力环境下执行任务。
　　 据介绍，未来该研究小组将围绕可变形机器，结合生物学、机器人、流体力学、电子、传感器等学科的知识，进一步发展可变形室温液态金属机器的理论与技术，揭示室温液态金属特性和原理，并希望最终促成可变形机器从理论变成现实。




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