中國(guó)液態(tài)金屬變形技術(shù)

《不同構(gòu)象之間的液態(tài)金屬多變形性》論文，揭示出室溫液態(tài)金屬具有可在不同形態(tài)和運(yùn)動(dòng)模式之間轉(zhuǎn)換的普適變形能力。比如，浸沒(méi)于水中的液態(tài)金屬對(duì)象可在低電壓作用下呈現(xiàn)出大尺度變形、自旋、定向運(yùn)動(dòng)，乃至發(fā)生液球之間的自動(dòng)融合、斷裂-再合并等行為，且不受液態(tài)金屬對(duì)象大小的限制；較為獨(dú)特的是，一塊很大的金屬液膜可在數(shù)秒內(nèi)即收縮為單顆金屬液球，變形過(guò)程十分快速，而表面積改變幅度可高達(dá)上千倍；此外，在外電場(chǎng)作用下，大量彼此分離的金屬液球可發(fā)生相互粘連及合并，直至融合成單一的液態(tài)金屬球；依據(jù)于電場(chǎng)控制，液態(tài)金屬極易實(shí)現(xiàn)高速的自旋運(yùn)動(dòng)，并在周圍水體中誘發(fā)出同樣處于快速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的漩渦對(duì)；若適當(dāng)調(diào)整電極和流道，還可將液態(tài)金屬的運(yùn)動(dòng)方式轉(zhuǎn)為單一的快速定向移動(dòng)。研究表明，造成這些變形與運(yùn)動(dòng)的機(jī)制之一在于液態(tài)金屬與水體交界面上的雙電層效應(yīng)。以上豐富的物理學(xué)圖景革新了人們對(duì)于自然界復(fù)雜流體、軟物質(zhì)特別是液態(tài)金屬材料學(xué)行為的基本認(rèn)識(shí)。這些超越常規(guī)的物體構(gòu)象轉(zhuǎn)換能力很難通過(guò)傳統(tǒng)的剛性材料或流體介質(zhì)實(shí)現(xiàn)，它們事實(shí)上成為用以構(gòu)筑可變形智能機(jī)器的基本要素，為可變形體特別是液體機(jī)器的設(shè)計(jì)和制造開辟了全新途徑。

成就

劉靜小組的發(fā)現(xiàn)，為可變形材料特別是液體機(jī)器的設(shè)計(jì)和制造邁出了關(guān)鍵性的一步，一定程度上從理論和技術(shù)的層面論證了實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬機(jī)器人的可能性；事實(shí)上，該研究已打開了系列已趨現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用范疇，如制造柔性執(zhí)行器，控制目標(biāo)流體或傳感器的定向運(yùn)動(dòng)、金屬液體回收，以及用作微流體閥、泵或更多人工機(jī)器等。若采用空間架構(gòu)的電極控制，還可望將這種智能液態(tài)金屬單元擴(kuò)展到三維，以組裝出具有特殊造型和可編程能力的仿生物或人形機(jī)器；甚至，在外太空探索中的微重力或無(wú)重力環(huán)境下，也可發(fā)展對(duì)應(yīng)的機(jī)器來(lái)執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)。

中國(guó)研制出世界首臺(tái)自主運(yùn)動(dòng)可變形液態(tài)金屬機(jī)器

原標(biāo)題：中科院與清華聯(lián)合研制出世界首臺(tái)自主運(yùn)動(dòng)可變形液態(tài)金屬機(jī)器

中國(guó)科學(xué)家造出了世界首臺(tái)液態(tài)金屬機(jī)器，這一成就被外媒形容為制造出“終結(jié)者”。

據(jù)中科院理化所網(wǎng)站，3月3日，由劉靜研究員帶領(lǐng)的中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所、清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院聯(lián)合研究小組，在Advanced Materials上發(fā)表了題為“Self-Fueled Biomimetic Liquid Metal Mollusk”(2015)的研究論文，迅速被New Scientist、Nature研究亮點(diǎn)、Science新聞等數(shù)十個(gè)知名科學(xué)雜志或?qū)I(yè)網(wǎng)站專題報(bào)道，在國(guó)際上引起重要反響和熱議。

此項(xiàng)研究于世界上首次發(fā)現(xiàn)了一種異常獨(dú)特的現(xiàn)象和機(jī)制，即液態(tài)金屬可在吞食少量物質(zhì)后以可變形機(jī)器形態(tài)長(zhǎng)時(shí)間高速運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)需外部電力的自主運(yùn)動(dòng)，從而為研制實(shí)用化智能馬達(dá)、血管機(jī)器人、流體泵送系統(tǒng)、柔性執(zhí)行器乃至更為復(fù)雜的液態(tài)金屬機(jī)器人奠定了理論和技術(shù)基礎(chǔ)。這是該小組繼首次發(fā)現(xiàn)電控可變形液態(tài)金屬基本現(xiàn)象(Sheng et al., Advanced Materials, 2014, 封面文章；Zhang et al., Scientific Reports, 2014)之后的又一突破性發(fā)現(xiàn)。

這種液態(tài)金屬機(jī)器完全擺脫了龐雜的外部電力系統(tǒng)，從而向研制自主獨(dú)立的柔性機(jī)器邁出了關(guān)鍵的一步。文章被選為期刊內(nèi)前封面故事，Altmetric計(jì)量學(xué)數(shù)據(jù)顯示其指數(shù)已達(dá)71.0，遠(yuǎn)高于期刊平均值6.7，在同時(shí)期論文中則排名N o.1。

研究揭示，置于電解液中的鎵基液態(tài)合金可通過(guò)“攝入”鋁作為食物或燃料提供能量，實(shí)現(xiàn)高速、高效的長(zhǎng)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，一小片鋁即可驅(qū)動(dòng)直徑約5 mm的液態(tài)金屬球?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)達(dá)1個(gè)多小時(shí)的持續(xù)運(yùn)動(dòng)，速度高達(dá)5cm/s。這種柔性機(jī)器既可在自由空間運(yùn)動(dòng)，又能于各種結(jié)構(gòu)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(diào)整，遇到拐彎時(shí)則有所停頓，好似略作思索后繼續(xù)行進(jìn)，整個(gè)過(guò)程仿佛科幻電影中的終結(jié)者機(jī)器人現(xiàn)身一般。

應(yīng)該說(shuō)，液態(tài)金屬機(jī)器一系列非同尋常的習(xí)性已相當(dāng)接近一些自然界簡(jiǎn)單的軟體生物，比如：能“吃”食物（燃料），自主運(yùn)動(dòng)，可變形，具備一定代謝功能（化學(xué)反應(yīng)），因此作者們將其命名為液態(tài)金屬軟體動(dòng)物。這一人工機(jī)器的發(fā)明同時(shí)也引申出“如何定義生命”的問(wèn)題。

目前，實(shí)驗(yàn)室根據(jù)上述原理已能制成不同大小的液態(tài)金屬機(jī)器，尺度從數(shù)十微米到數(shù)厘米，且可在不同電解液環(huán)境如堿性、酸性乃至中性溶液中運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)和理論分析表明，此種自主型液態(tài)金屬機(jī)器的動(dòng)力機(jī)制來(lái)自兩方面：一是發(fā)生在液態(tài)合金、金屬燃料及電解液間的Galvanic電池效應(yīng)會(huì)形成內(nèi)生電場(chǎng)，從而誘發(fā)液態(tài)金屬表面的高表面張力發(fā)生不對(duì)稱響應(yīng)，繼而對(duì)易于變形的液態(tài)金屬機(jī)器造成強(qiáng)大推力；與此同時(shí)，上述電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的氫氣也進(jìn)一步提升了推力。正是這種雙重作用產(chǎn)生了超常的液態(tài)金屬馬達(dá)行為，這種能量轉(zhuǎn)換機(jī)制對(duì)于發(fā)展特殊形態(tài)的能源動(dòng)力系統(tǒng)也具重要啟示意義。