1991年，電影《終結(jié)者2》中出現(xiàn)了一款強(qiáng)大的機(jī)器人T-1000，這個(gè)用液態(tài)金屬打造的機(jī)器人無論遭遇到多大的傷害都可以瞬間自動(dòng)復(fù)原，甚至可以隨意改變身體形狀和臉部容貌。這種變形機(jī)器人一直以來都是科學(xué)家的目標(biāo)之一，如今，中國科學(xué)家在液態(tài)金屬領(lǐng)域的一項(xiàng)研究獲突破性進(jìn)展，在這個(gè)漫長的研究之路上又前進(jìn)了一小步。
《終結(jié)者2》中的液態(tài)金屬機(jī)器人T-1000
新研究讓液態(tài)金屬機(jī)器能“跑”能“跳”
據(jù)中科院微信公眾號(hào)發(fā)布，近期，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所聯(lián)合清華大學(xué)研究組，首次報(bào)道了由液態(tài)金屬驅(qū)動(dòng)的金屬絲振蕩效應(yīng)、金屬顆粒觸發(fā)型液態(tài)金屬跳躍現(xiàn)象等，并研發(fā)出鍍有磁性功能層的自驅(qū)動(dòng)液態(tài)金屬機(jī)器乃至以液態(tài)金屬為車輪的微型車輛，其中2項(xiàng)研究以封面文章形式發(fā)表。
此前，液態(tài)金屬機(jī)器均以純液態(tài)方式出現(xiàn)，固液組合機(jī)器效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和技術(shù)突破，使得液態(tài)金屬機(jī)器自此有了功能性內(nèi)外骨骼，將提速柔性機(jī)器的研制進(jìn)程。
研發(fā)世界首個(gè)液態(tài)金屬機(jī)器的清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系教授劉靜
這個(gè)科研團(tuán)隊(duì)的帶頭人是中科院理化所雙聘研究員、清華大學(xué)教授劉靜。
2013年6月，把液態(tài)金屬做成打印“墨水”，劉靜團(tuán)隊(duì)首次研發(fā)出紙上直接生成電子電路的技術(shù)。一年后，團(tuán)隊(duì)又研發(fā)出世界首臺(tái)室溫液態(tài)金屬打印機(jī)，借助該設(shè)備，只需在計(jì)算機(jī)上設(shè)定程序，就可以“打”出個(gè)性化的電路系統(tǒng)。2015年初，劉靜帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)造出世界首臺(tái)液態(tài)金屬機(jī)器的相關(guān)論文引起《科學(xué)》等權(quán)威網(wǎng)站的關(guān)注，被形容為制造出“終結(jié)者”。
劉靜團(tuán)隊(duì)近期在發(fā)表于《先進(jìn)科學(xué)》(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(bào)道了一種異常獨(dú)特的液態(tài)金屬固液組合機(jī)器的自激振蕩效應(yīng)：將處理過的銅絲觸及含鋁的液態(tài)金屬時(shí)，銅絲會(huì)被液態(tài)金屬迅速吞入，并隨后在液態(tài)金屬機(jī)體上做長時(shí)間往復(fù)穿梭運(yùn)動(dòng)，如同演奏音樂中的小提琴琴弦一般。
液態(tài)金屬機(jī)器驅(qū)動(dòng)的銅絲浸潤與自激振蕩現(xiàn)象
此外，用不銹鋼絲觸碰液態(tài)金屬，還可對(duì)銅絲的振蕩行為加以調(diào)頻調(diào)幅操控。造成上述現(xiàn)象的機(jī)制主要在于，鋁與堿溶液反應(yīng)引發(fā)液態(tài)金屬與銅絲兩端出現(xiàn)浸潤力差異所致，這里，銅絲、液態(tài)金屬、電解液及氫氣之間多相界面的動(dòng)態(tài)耦合產(chǎn)生了節(jié)律性牽引力。這一突破性發(fā)現(xiàn)革新了傳統(tǒng)的界面科學(xué)認(rèn)識(shí)，也為柔性智能機(jī)器的研制打開了新思路，還可發(fā)展出流體、電學(xué)、機(jī)械、光學(xué)等系統(tǒng)的控制開關(guān)。
在發(fā)表于《應(yīng)用物理學(xué)快報(bào)》(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(fā)現(xiàn)了一類有趣的液態(tài)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(dòng)起來，并在容器底留下一串餅狀“腳印”。
液態(tài)金屬液滴被鎳粉顆粒觸發(fā)后在NaOH溶液中產(chǎn)生的跳躍行為
研究揭示，金屬顆粒與液態(tài)金屬表面發(fā)生點(diǎn)接觸時(shí)，交界面處電場(chǎng)強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，以至?xí)谌芤簝?nèi)電解產(chǎn)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(dǎo)致電場(chǎng)極化的因素之一是來自液態(tài)金屬與固體金屬顆粒之間的電勢(shì)差即原電池效應(yīng)(圖3)；另一原因則在于，固-液材料界面間微觀形貌差異會(huì)導(dǎo)致電荷累積，繼而引發(fā)尖端放電效應(yīng)。
金屬液滴與固體金屬顆粒發(fā)生點(diǎn)接觸后界面電場(chǎng)出現(xiàn)極化的原理和現(xiàn)象
在《材料化學(xué)學(xué)報(bào)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(tài)金屬表面鑲嵌鐵磁性鎳層，由此實(shí)現(xiàn)了機(jī)器在外部磁場(chǎng)或電場(chǎng)作用下的靈活控制(圖4)，并驗(yàn)證了其在藥物遞送方面的潛在價(jià)值。超越于無規(guī)則運(yùn)動(dòng)型液態(tài)金屬機(jī)器的是，該磁性固液組合機(jī)器可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)起停、轉(zhuǎn)向和加速等復(fù)雜行為。
鍍有鎳殼的固液組合式磁性液態(tài)金屬機(jī)器的可控與自主運(yùn)動(dòng)
進(jìn)一步地，研究小組還發(fā)展出一種以柔性可變形“車輪”驅(qū)動(dòng)的微型車輛，其由金屬液滴及經(jīng)3D打印的塑料本體組合而成。在電場(chǎng)作用下，液態(tài)金屬“車輪”可發(fā)生旋轉(zhuǎn)變形，繼而驅(qū)動(dòng)車輛行進(jìn)、加速乃至實(shí)現(xiàn)更多復(fù)雜運(yùn)動(dòng)(圖5)。采用類似于四驅(qū)車的結(jié)構(gòu)，研究小組證實(shí)其可在攜帶重物0.4 g的情況下以25 mm/s速度運(yùn)動(dòng)。這種固液組裝型柔性機(jī)器的設(shè)計(jì)概念可衍生出更多復(fù)雜的可控機(jī)器結(jié)構(gòu)。相應(yīng)研究發(fā)表在RSC Advances(Liquid metal Wheeled Small Vehicle for Cargo Delivery, 6, 56482-56488, 2016)上。
十多年來，由中科院理化所研究員劉靜帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)圍繞液態(tài)金屬開展了大量原創(chuàng)性探索，在芯片冷卻、先進(jìn)制造、電子技術(shù)、生物醫(yī)療及柔性機(jī)器等領(lǐng)域取得全面突破。團(tuán)隊(duì)迄今已發(fā)現(xiàn)30類以上具有重要科學(xué)意義的液態(tài)金屬基礎(chǔ)現(xiàn)象或效應(yīng)，研發(fā)出數(shù)十種實(shí)用技術(shù)，在包括北京、云南、廣東等地在內(nèi)的全國范圍內(nèi)推動(dòng)產(chǎn)業(yè)化，先后促成了領(lǐng)先性液態(tài)金屬產(chǎn)品生產(chǎn)線、研發(fā)中心及科技館的建設(shè)落成，多種產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)，提出的創(chuàng)建液態(tài)金屬谷乃至發(fā)展液態(tài)金屬全新工業(yè)體系的構(gòu)想也正從理想變成現(xiàn)實(shí)，成果在海內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界產(chǎn)生重大影響。
近些年，劉靜團(tuán)隊(duì)一直在致力于聯(lián)合工業(yè)界推動(dòng)液態(tài)金屬產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。“我們有幸在液態(tài)金屬研究上走在世界前頭，但在產(chǎn)業(yè)方面不能落后，我們要把握歷史機(jī)遇，幫助我國建成世界級(jí)的液態(tài)金屬谷。”劉靜說。
離造出“變形機(jī)器人”還有很長路要走
隨著科技的不斷進(jìn)步，液態(tài)金屬已經(jīng)走進(jìn)了我們的視野，但擁有液態(tài)金屬就意味著能制造出“變形機(jī)器人”嗎？
澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)的科學(xué)家在今年8月也表示，他們使用一種液態(tài)金屬合金制造出能自主操作的開關(guān)和泵。最新技術(shù)可用于制造能像活組織一樣行動(dòng)的電子設(shè)備，甚至類似“T-1000終結(jié)者”那樣的3D液態(tài)金屬機(jī)器人。盡管目前“T-1000”離完全實(shí)現(xiàn)還有不少技術(shù)障礙，但澳大利亞的科學(xué)家稱他們已朝這一方向“邁出了堅(jiān)實(shí)的一步”。
理想情況下，利用這項(xiàng)技術(shù)，人們無需對(duì)機(jī)器人進(jìn)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(dá)到既定的形狀。這項(xiàng)技術(shù)達(dá)到一定程度之后將徹底改變鋼材的應(yīng)用范圍。比如當(dāng)無人機(jī)需要穿越一個(gè)較為低矮的地方，如果采用了這種液態(tài)金屬之后，它可以瞬間變成扁平狀，一舉飛躍障礙。
當(dāng)然，墨爾本理工大學(xué)的研究者也承認(rèn)，這項(xiàng)技術(shù)還有很長的路要走，短時(shí)間內(nèi)想要實(shí)現(xiàn)它根本是不可能的。建造液態(tài)金屬機(jī)器人所需要的編程復(fù)雜性將遠(yuǎn)超目前的方法。更困難的是，想要達(dá)到“變形機(jī)器人”的這種高度，勢(shì)必要求內(nèi)部的所有智能設(shè)備也必須采用液態(tài)金屬，就目前的情況來看，我們還找不到一項(xiàng)合適的技術(shù)能夠解決。
液態(tài)金屬
“液態(tài)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(tài)金屬是一種有黏性的流體，具不穩(wěn)定性。它可通過充型過程，形成各種鑄件。在液態(tài)金屬與水體交界面上的雙電層效應(yīng)，可以令室溫液態(tài)金屬具有在不同形態(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；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。
可變形液態(tài)金屬機(jī)器在內(nèi)含電解液的容器或各種槽道中的自主運(yùn)動(dòng)情形
2015年3月，由劉靜研究員帶領(lǐng)的中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所、清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院聯(lián)合研究小組發(fā)表論文稱，他們研制出了世界上首臺(tái)液態(tài)金屬機(jī)器。該研究成果為研制實(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)。
自主型液態(tài)金屬機(jī)器所展示的人工軟體動(dòng)物、實(shí)物馬達(dá)及其驅(qū)動(dòng)流體情形
劉靜研究小組發(fā)現(xiàn)，在電解液中，一塊鎵基液態(tài)合金，在“吞食”鋁作為食物或燃料后，竟可以變形機(jī)器形態(tài)長時(shí)間高速運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了無需外部電力的自主運(yùn)動(dòng)。“有趣的是，我們觀察到，這種變形機(jī)器不僅能在自由空間運(yùn)動(dòng)，還能在各種結(jié)構(gòu)槽道中前行。更令人驚訝的是，它還會(huì)根據(jù)槽道的寬窄自行調(diào)整，拐彎時(shí)則有所停頓，好似人在遇到障礙物‘思索’后行進(jìn)，像極了科幻電影《終結(jié)者》中的液態(tài)機(jī)器人。”劉靜說。他們稱該液態(tài)金屬機(jī)器為“軟體動(dòng)物”，因?yàn)樗尸F(xiàn)的一系列非同尋常的特性，已經(jīng)相當(dāng)接近自然界簡單的軟體生物。
