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中科院团队新研究突破:让液态金属机器能“跑”能“跳”

《终结者2》中的液态金属机器人T-1000《终结者2》中的液态金属机器人T-1000

1991年,电影《终结者2》中出现了一款强大的机器人T-1000,这个用液态金属打造的机器人无论遭遇到多大的伤害都可以瞬间自动复原,甚至可以随意改变身体形状和脸部容貌。这种变形机器人一直以来都是科学家的目标之一,如今,中国科学家在液态金属领域的一项研究获突破性进展,在这个漫长的研究之路上又前进了一小步。

新研究让液态金属机器能“跑”能“跳”

据中科院微信公众号发布,近期,中国科学院理化技术研究所联合清华大学研究组,首次报道了由液态金属驱动的金属丝振荡效应、金属颗粒触发型液态金属跳跃现象等,并研发出镀有磁性功能层的自驱动液态金属机器乃至以液态金属为车轮的微型车辆,其中2项研究以封面文章形式发表。

此前,液态金属机器均以纯液态方式出现,固液组合机器效应的发现和技术突破,使得液态金属机器自此有了功能性内外骨骼,将提速柔性机器的研制进程。

研发世界首个液态金属机器的清华大学医学院生物医学工程系教授刘静研发世界首个液态金属机器的清华大学医学院生物医学工程系教授刘静

观察者网注意到,这个科研团队的带头人是中科院理化所双聘研究员、清华大学教授刘静。

2013年6月,把液态金属做成打印“墨水”,刘静团队首次研发出纸上直接生成电子电路的技术。一年后,团队又研发出世界首台室温液态金属打印机,借助该设备,只需在计算机上设定程序,就可以“打”出个性化的电路系统。2015年初,刘静带领的团队造出世界首台液态金属机器的相关论文引起《科学》等权威网站的关注,被形容为制造出“终结者”。

刘静团队近期在发表于《先进科学》(Advanced Science)上的题为Liquid Metal Machine Triggered Violin-like Wire Oscillator(10.1002/advs.201600212,2016;封面文章)的论文中,研究小组报道了一种异常独特的液态金属固液组合机器的自激振荡效应:将处理过的铜丝触及含铝的液态金属时,铜丝会被液态金属迅速吞入,并随后在液态金属机体上做长时间往复穿梭运动,如同演奏音乐中的小提琴琴弦一般(图1)。

图1 期刊封面故事及液态金属机器驱动的铜丝浸润与自激振荡现象图1 期刊封面故事及液态金属机器驱动的铜丝浸润与自激振荡现象

此外,用不锈钢丝触碰液态金属,还可对铜丝的振荡行为加以调频调幅操控。造成上述现象的机制主要在于,铝与碱溶液反应引发液态金属与铜丝两端出现浸润力差异所致,这里,铜丝、液态金属、电解液及氢气之间多相界面的动态耦合产生了节律性牵引力。这一突破性发现革新了传统的界面科学认识,也为柔性智能机器的研制打开了新思路,还可发展出流体、电学、机械、光学等系统的控制开关。

在发表于《应用物理学快报》(Applied Physics Letters)上的题为Jumping Liquid Metal Droplet in Electrolyte Triggered by Solid Metal Particles(108, 223901, 2016)的论文中,作者们发现了一类有趣的液态金属跳跃行为(图2):向放有金属液滴的溶液体系中加入固体金属颗粒(镍、铁等)后,原本静止的金属液滴开始跳动起来,并在容器底留下一串饼状“脚印”。

图2 液态金属液滴被镍粉颗粒触发后在NaOH溶液中产生的跳跃行为图2 液态金属液滴被镍粉颗粒触发后在NaOH溶液中产生的跳跃行为

研究揭示,金属颗粒与液态金属表面发生点接触时,交界面处电场强度显著增强,以至会在溶液内电解产氢,氢气泡在基底不断吸附长大形成“气体弹簧”,这就为液滴跳跃提供了推力。导致电场极化的因素之一是来自液态金属与固体金属颗粒之间的电势差即原电池效应(图3);另一原因则在于,固-液材料界面间微观形貌差异会导致电荷累积,继而引发尖端放电效应。

图3 金属液滴与固体金属颗粒发生点接触后界面电场出现极化的原理和现象图3 金属液滴与固体金属颗粒发生点接触后界面电场出现极化的原理和现象

在《材料化学学报B》(Journal of Materials Chemistry B)上的论文Self-Propelled Liquid Metal Motors Steered by Magnetic or Electrical Field for Drug Delivery(4, 5349, 2016, 封面文章)中,研究小组通过电镀方法在液态金属表面镶嵌铁磁性镍层,由此实现了机器在外部磁场或电场作用下的灵活控制(图4),并验证了其在药物递送方面的潜在价值。超越于无规则运动型液态金属机器的是,该磁性固液组合机器可实现运动起停、转向和加速等复杂行为。

图4 期刊封面故事及镀有镍壳的固液组合式磁性液态金属机器的可控与自主运动图4 期刊封面故事及镀有镍壳的固液组合式磁性液态金属机器的可控与自主运动

进一步地,研究小组还发展出一种以柔性可变形“车轮”驱动的微型车辆,其由金属液滴及经3D打印的塑料本体组合而成。在电场作用下,液态金属“车轮”可发生旋转变形,继而驱动车辆行进、加速乃至实现更多复杂运动(图5)。采用类似于四驱车的结构,研究小组证实其可在携带重物0.4 g的情况下以25 mm/s速度运动。这种固液组装型柔性机器的设计概念可衍生出更多复杂的可控机器结构。相应研究发表在RSC Advances(Liquid Metal Wheeled Small Vehicle for Cargo Delivery, 6, 56482-56488, 2016)上。

图5 柔性可变形液态金属车轮驱动的单轮车及四驱车在电场控制下的运动行为图5 柔性可变形液态金属车轮驱动的单轮车及四驱车在电场控制下的运动行为

十多年来,由中科院理化所研究员刘静带领的团队围绕液态金属开展了大量原创性探索,在芯片冷却、先进制造、电子技术、生物医疗及柔性机器等领域取得全面突破。团队迄今已发现30类以上具有重要科学意义的液态金属基础现象或效应,研发出数十种实用技术,在包括北京、云南、广东等地在内的全国范围内推动产业化,先后促成了领先性液态金属产品生产线、研发中心及科技馆的建设落成,多种产品进入市场,提出的创建液态金属谷乃至发展液态金属全新工业体系的构想也正从理想变成现实,成果在海内外学术界和工业界产生重大影响。

近些年,刘静团队一直在致力于联合工业界推动液态金属产业化应用。“我们有幸在液态金属研究上走在世界前头,但在产业方面不能落后,我们要把握历史机遇,帮助我国建成世界级的液态金属谷。”刘静说。

离造出“变形机器人”还有很长路要走

随着科技的不断进步,液态金属已经走进了我们的视野,但拥有液态金属就意味着能制造出“变形机器人”吗?

澳大利亚皇家墨尔本理工大学的科学家在今年8月也表示,他们使用一种液态金属合金制造出能自主操作的开关和泵。最新技术可用于制造能像活组织一样行动的电子设备,甚至类似“T-1000终结者”那样的3D液态金属机器人。尽管目前“T-1000”离完全实现还有不少技术障碍,但澳大利亚的科学家称他们已朝这一方向“迈出了坚实的一步”。

理想情况下,利用这项技术,人们无需对机器人进行如何的塑形,只需要按照一定程序来改变水的酸碱成分,金属就能自行达到既定的形状。这项技术达到一定程度之后将彻底改变钢材的应用范围。比如当无人机需要穿越一个较为低矮的地方,如果采用了这种液态金属之后,它可以瞬间变成扁平状,一举飞跃障碍。

当然,墨尔本理工大学的研究者也承认,这项技术还有很长的路要走,短时间内想要实现它根本是不可能的。建造液态金属机器人所需要的编程复杂性将远超目前的方法。更困难的是,想要达到“变形机器人”的这种高度,势必要求内部的所有智能设备也必须采用液态金属,就目前的情况来看,我们还找不到一项合适的技术能够解决。

液态金属

名词解释

“液态金属”指的是一种不定型金属,可看作由正离子流体和自由电子气组成的混合物。

液态金属是一种有黏性的流体,具不稳定性。它可通过充型过程,形成各种铸件。在液态金属与水体交界面上的双电层效应,可以令室温液态金属具有在不同形态和运动模式之间转换的普适变形能力。比如,浸没于水中的液态金属对象可在低电压作用下呈现出大尺度变形;一块很大的金属液膜可在数秒内即收缩为单颗金属液球。

可变形液态金属机器在内含电解液的容器或各种槽道中的自主运动情形可变形液态金属机器在内含电解液的容器或各种槽道中的自主运动情形

2015年3月,由刘静研究员带领的中国科学院理化技术研究所、清华大学医学院联合研究小组发表论文称,他们研制出了世界上首台液态金属机器。该研究成果为研制实用化智能马达、血管机器人、流体泵送系统、柔性执行器乃至更为复杂的液态金属机器人奠定了理论和技术基础。

自主型液态金属机器所展示的人工软体动物、实物马达及其驱动流体情形自主型液态金属机器所展示的人工软体动物、实物马达及其驱动流体情形

刘静研究小组发现,在电解液中,一块镓基液态合金,在“吞食”铝作为食物或燃料后,竟可以变形机器形态长时间高速运动,实现了无需外部电力的自主运动。“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,像极了科幻电影《终结者》中的液态机器人。”刘静说。他们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。

文  观察者网

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  1. #1

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    军哥2个月前 (10-13)回复

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