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看液态金属的七十二变

说起液态金属,很多人第一时间想到的,恐怕是电影《终结者》中可以任意变换形态的“液体机器人”。这个目前还仅仅存在于科幻作品中的形象,在未来有了实现的可能。日前,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的发现,首次揭示了液态金属的节律性自发振荡效应和跳跃现象,并研发出了自驱动的磁性液态金属机器以及由金属液滴车轮驱动的三维打印“车辆”。

也正是这一研究小组,在2015年3月研发出了世界首个自主运动的可变形液态金属机器,引领柔性机器研制的方向,此次突破更是有望提升柔性智能机器的研制进程。

液态金属机器人进化了!

液态金属的进化才刚刚开始

液态金属是指在常温常压下像水一样呈液态的金属。金属熔点较高,通常除了水银,常规环境下的金属多呈固态。让金属在相对低温条件下呈现液态,展现神通广大的本领,曾被认为是异想天开。

中科院理化技术研究所双聘研究员、清华大学教授刘静带领团队在液态金属领域,经过十多年研究探索,发现了液态金属在材料学、热学、流体、电子学、生物医学及柔性机器等方面的一系列独特机理,并从一开始就探索各种可能的应用方向。

2013年,刘静团队把液态金属做成打印“墨水”,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3月,刘静团队首次研发出自主运动的可变形液态金属机器。他们发现液态金属拥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运动。这种被刘静团队命名为“软体动物”的液态金属人工机器,在形态上已十分接近自然界简单的软体生物。相应发现为研发未来可变形机器人迈出了极为关键的一步。

一系列探索,为液态金属在柔性机器领域的发展打下了基础。

业内专家表示,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模式,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。

十多年来,刘静带领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。通过这些不懈努力,人们也得以初窥到奇特的液态金属同时兼备的科学与应用魅力。

不过,刘静认为,之前发现的液态金属能“吃”、会动的形态,尚只是柔性机器人发展的初级阶段。“以自然界生物进化的观点看,先前的工作或许只相当于培育出了基本的功能单元即细胞,要使之成为完整的仿生物体柔性机器人,还需要生长出肌肉、骨骼、器官和皮肤等组织,从这种意义上讲,液态金属机器人的进化只是刚刚开始。”

新发现让液态金属成了“运动健将”

刘静团队近期的一系列研究成果,正是为推动液态金属机器人进化所做的奠基工作。

此前,液态金属机器均以纯液态方式出现,虽然也能自主“运动”,但纯液体的形态也让其运动方式和能力有比较大的局限。在最近刊发在《尖端科学》上的一篇封面文章中,刘静团队首次揭示了一种液态金属固液组合机器的自激振荡效应。他们发现,将预先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。

“没想到固体金属丝竟能在液态金属基座上做节律性往复运动,这种振荡效应在自然界中异常独特,以往从未见到类似的机器形态。”刘静说,这种固液组合机器效应的发现和技术突破,就好比液态金属机器在实验室中进化出了内在的功能性骨骼。业内人士分析,这一发现革新了传统的科学理念,为柔性智能机器的研制打开了新思路。

发表于《应用物理学快报》的论文则让人们认识到液态金属有趣的跳跃行为。研究人员向放有金属液滴的溶液体系中加入固体金属颗粒后,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”。

发表在《材料化学学报B》的封面文章显示,研究人员实现了液态金属机器在外部磁场或电场作用下的灵活控制。“这好比给液态金属机器穿上了一件外衣,相当于为其提供了外骨骼。”刘静说。

通过对液态金属柔性机器运动形态的进一步研究,研究人员还结合三维打印技术发展出了一种以柔性可变形液态金属“车轮”驱动的微型车辆。研究发现,在电场作用下,液态金属“车轮”可发生旋转变形,继而驱动车辆和小船行进、加速乃至实现更多复杂运动。试验证实,这种形态的固液组合车辆,拥有类似四驱车的结构和原理,可在携带在0.4克物体情况下以25毫米/秒的速度运动。

刘静说,无论是发现固液组合机器的自发节律振荡效应以及液态金属的“跳动”功能,还是在电场作用下的变形运动,都是为了让液态金属拥有更强更复杂的运动能力,意味着在通向未来可能的柔性机器人的道路上发现了进化的可能和方向,有望衍生出更多复杂的可控机器架构。

刘静相信,未来能够进化出非常复杂的液态金属机器。

液态金属机器未来有望智能起来

液态金属自驱动机器出现时,业界专家认为,一旦突破了材料和技术理念的限制,就有望发展出柔性智能机器人。那么,现在我们距离制造出“变形机器人”还有多远?

“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。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。”刘静说。未来,研究小组将围绕可变形机器,结合生物学、机器人、流体力学、电子学以及人工智能等学科的知识,进一步发展液态金属可变形机器的理论与技术,他将研究项目命名为SMILE计划。“我们希望未来液态金属机器人能够智能起来、拥有记忆和处理功能。不过,机器要发展出哪怕一点点智能,都需要我们去付出巨大努力。”

专家表示,完全的“变形机器人”,要求内部的主要设备也必须采用液态介质。就当前的情况来看,还找不到合适的技术解决这一问题。

刘静认为,作为新兴物质科学领域的革命性材料,液态金属拥有许多常规材料所不具备的新奇特性,对它的深入研究能为许多现代科学与工程学提供丰富的研究空间。这些在柔性机器研究方面取得的突破,也带给芯片冷却、先进制造、新能源、生物医疗等领域以研究启示。他相信,未来液态金属研究还将有各种“匪夷所思的发现”。

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