新研究讓液態金屬機器能“跑”能“跳”

    近期，中國科學院理化技術研究所聯合清華大學研究組，首次報道了由液態金屬驅動的金屬絲振蕩效應、金屬顆粒觸發型液態金屬跳躍現象等，并研發出鍍有磁性功能層的自驅動液態金屬機器乃至以液態金屬為車輪的微型車輛，其中2項研究以封面文章形式發表。

    此前，液態金屬機器均以純液態方式出現，固液組合機器效應的發現和技術突破，使得液態金屬機器自此有了功能性內外骨骼，將提速柔性機器的研制進程。

    觀察者網注意到，這個科研團隊的帶頭人是中科院理化所雙聘研究員、清華大學教授劉靜。

    2013年6月，把液態金屬做成打印“墨水”，劉靜團隊首次研發出紙上直接生成電子電路的技術。一年后，團隊又研發出世界首臺室溫液態金屬打印機，借助該設備，只需在計算機上設定程序，就可以“打”出個性化的電路系統。2015年初，劉靜帶領的團隊造出世界首臺液態金屬機器的相關論文引起《科學》等權威網站的關注，被形容為制造出“終結者”。

    劉靜團隊近期在發表于《先進科學》（Advanced Science）上的題為Liquid Metal Machine Triggered Violin-like Wire Oscillator（10.1002/advs.201600212，2016；封面文章）的論文中，研究小組報道了一種異常獨特的液態金屬固液組合機器的自激振蕩效應：將處理過的銅絲觸及含鋁的液態金屬時，銅絲會被液態金屬迅速吞入，并隨后在液態金屬機體上做長時間往復穿梭運動，如同演奏音樂中的小提琴琴弦一般（圖1）。

    
    圖1 期刊封面故事及液態金屬機器驅動的銅絲浸潤與自激振蕩現象

    此外，用不銹鋼絲觸碰液態金屬，還可對銅絲的振蕩行為加以調頻調幅操控。造成上述現象的機制主要在于，鋁與堿溶液反應引發液態金屬與銅絲兩端出現浸潤力差異所致，這里，銅絲、液態金屬、電解液及氫氣之間多相界面的動態耦合產生了節律性牽引力。這一突破性發現革新了傳統的界面科學認識，也為柔性智能機器的研制打開了新思路，還可發展出流體、電學、機械、光學等系統的控制開關。

    在發表于《應用物理學快報》（Applied Physics Letters）上的題為Jumping Liquid Metal Droplet in Electrolyte Triggered by Solid Metal Particles（108, 223901, 2016）的論文中，作者們發現了一類有趣的液態金屬跳躍行為（圖2）：向放有金屬液滴的溶液體系中加入固體金屬顆粒（鎳、鐵等）后，原本靜止的金屬液滴開始跳動起來，并在容器底留下一串餅狀“腳印”。

    
    圖2 液態金屬液滴被鎳粉顆粒觸發后在NaOH溶液中產生的跳躍行為

    研究揭示，金屬顆粒與液態金屬表面發生點接觸時，交界面處電場強度顯著增強，以至會在溶液內電解產氫，氫氣泡在基底不斷吸附長大形成“氣體彈簧”，這就為液滴跳躍提供了推力。導致電場極化的因素之一是來自液態金屬與固體金屬顆粒之間的電勢差即原電池效應（圖3）；另一原因則在于，固-液材料界面間微觀形貌差異會導致電荷累積，繼而引發尖端放電效應。

    圖3 金屬液滴與固體金屬顆粒發生點接觸后界面電場出現極化的原理和現象

    在《材料化學學報B》（Journal of Materials Chemistry B）上的論文Self-Propelled Liquid Metal Motors Steered by Magnetic or Electrical Field for Drug Delivery（4, 5349, 2016, 封面文章）中，研究小組通過電鍍方法在液態金屬表面鑲嵌鐵磁性鎳層，由此實現了機器在外部磁場或電場作用下的靈活控制（圖4），并驗證了其在藥物遞送方面的潛在價值。超越于無規則運動型液態金屬機器的是，該磁性固液組合機器可實現運動起停、轉向和加速等復雜行為。

    
    圖4 期刊封面故事及鍍有鎳殼的固液組合式磁性液態金屬機器的可控與自主運動

    進一步地，研究小組還發展出一種以柔性可變形“車輪”驅動的微型車輛，其由金屬液滴及經3D打印的塑料本體組合而成。在電場作用下，液態金屬“車輪”可發生旋轉變形，繼而驅動車輛行進、加速乃至實現更多復雜運動（圖5）。采用類似于四驅車的結構，研究小組證實其可在攜帶重物0.4 g的情況下以25 mm/s速度運動。這種固液組裝型柔性機器的設計概念可衍生出更多復雜的可控機器結構。相應研究發表在RSC Advances（Liquid Metal Wheeled Small Vehicle for Cargo Delivery, 6, 56482-56488, 2016）上。

    圖5 柔性可變形液態金屬車輪驅動的單輪車及四驅車在電場控制下的運動行為

    十多年來，由中科院理化所研究員劉靜帶領的團隊圍繞液態金屬開展了大量原創性探索，在芯片冷卻、先進制造、電子技術、生物醫療及柔性機器等領域取得全面突破。團隊迄今已發現30類以上具有重要科學意義的液態金屬基礎現象或效應，研發出數十種實用技術，在包括北京、云南、廣東等地在內的全國范圍內推動產業化，先后促成了領先性液態金屬產品生產線、研發中心及科技館的建設落成，多種產品進入市場，提出的創建液態金屬谷乃至發展液態金屬全新工業體系的構想也正從理想變成現實，成果在海內外學術界和工業界產生重大影響。

    近些年，劉靜團隊一直在致力于聯合工業界推動液態金屬產業化應用。“我們有幸在液態金屬研究上走在世界前頭，但在產業方面不能落后，我們要把握歷史機遇，幫助我國建成世界級的液態金屬谷。”劉靜說。

    離造出“變形機器人”還有很長路要走

    隨著科技的不斷進步，液態金屬已經走進了我們的視野，但擁有液態金屬就意味著能制造出“變形機器人”嗎？

    澳大利亞皇家墨爾本理工大學的科學家在今年8月也表示，他們使用一種液態金屬合金制造出能自主操作的開關和泵。最新技術可用于制造能像活組織一樣行動的電子設備，甚至類似“T-1000終結者”那樣的3D液態金屬機器人。盡管目前“T-1000”離完全實現還有不少技術障礙，但澳大利亞的科學家稱他們已朝這一方向“邁出了堅實的一步”。

    研發世界首個液態金屬機器的清華大學醫學院生物醫學工程系教授劉靜

    理想情況下，利用這項技術，人們無需對機器人進行如何的塑形，只需要按照一定程序來改變水的酸堿成分，金屬就能自行達到既定的形狀。這項技術達到一定程度之后將徹底改變鋼材的應用范圍。比如當無人機需要穿越一個較為低矮的地方，如果采用了這種液態金屬之后，它可以瞬間變成扁平狀，一舉飛躍障礙。

    當然，墨爾本理工大學的研究者也承認，這項技術還有很長的路要走，短時間內想要實現它根本是不可能的。建造液態金屬機器人所需要的編程復雜性將遠超目前的方法。更困難的是，想要達到“變形機器人”的這種高度，勢必要求內部的所有智能設備也必須采用液態金屬，就目前的情況來看，我們還找不到一項合適的技術能夠解決。

    液態金屬

    “液態金屬”指的是一種不定型金屬，可看作由正離子流體和自由電子氣組成的混合物。

    液態金屬是一種有黏性的流體，具不穩定性。它可通過充型過程，形成各種鑄件。在液態金屬與水體交界面上的雙電層效應，可以令室溫液態金屬具有在不同形態和運動模式之間轉換的普適變形能力。比如，浸沒于水中的液態金屬對象可在低電壓作用下呈現出大尺度變形；一塊很大的金屬液膜可在數秒內即收縮為單顆金屬液球。

    2015年3月，由劉靜研究員帶領的中國科學院理化技術研究所、清華大學醫學院聯合研究小組發表論文稱，他們研制出了世界上首臺液態金屬機器。該研究成果為研制實用化智能馬達、血管機器人、流體泵送系統、柔性執行器乃至更為復雜的液態金屬機器人奠定了理論和技術基礎。

    劉靜研究小組發現，在電解液中，一塊鎵基液態合金，在“吞食”鋁作為食物或燃料后，竟可以變形機器形態長時間高速運動，實現了無需外部電力的自主運動。“有趣的是，我們觀察到，這種變形機器不僅能在自由空間運動，還能在各種結構槽道中前行。更令人驚訝的是，它還會根據槽道的寬窄自行調整，拐彎時則有所停頓，好似人在遇到障礙物‘思索’后行進，像極了科幻電影《終結者》中的液態機器人。”劉靜說。他們稱該液態金屬機器為“軟體動物”，因為它呈現的一系列非同尋常的特性，已經相當接近自然界簡單的軟體生物。

    自主型液態金屬機器所展示的人工軟體動物、實物馬達及其驅動流體情形

    可變形液態金屬機器在內含電解液的容器或各種槽道中的自主運動情形