|
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。 
《终结者2》中的液态金属机器人T-1000
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。 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。
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
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
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
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
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
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，开奖，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
(责任编辑：本港台直播) |