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液态金属机器:发现它,控制它,应用它

液态金属机器:发现它,控制它,应用它

刘静

液态金属改变形状

电场控制下的液态金属大尺度变形

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液态金属球之间的粘连与融合现象

  今年夏季,全新上阵的好莱坞电影《终结者:创世纪》在全球范围内火热上映。《终结者》系列电影上映之初,人们便对好莱坞导演的想象力大加赞服——施瓦辛格饰演的机器人,掏出霰弹枪朝液态机器人T-1000射击,身体被打穿了数个大窟窿的液态机器人,却能恢复原形“满血复活”。

  那么,这样的变形机器人真的能够出现在人类的生活中吗?

  由刘静教授带领的中科院理化所、清华大学联合小组就有关液态金属变形机器的系列突破性发现证明,也许有一天,高度超过数米、能自行分解又能相互组合的变形机器人能够真的问世。

  在前期于世界上首度研发世界首个自驱动可变形液态金属机器后,至今年9月份,刘静团队在多家国际知名学术期刊上再发6篇相关论文,这项研究正在稳步推进中。

  从首次发现自驱动的液态金属机器,到再度发现系列独特的液态金属基础效应、科学现象与可变形机器运动形态,刘静团队正在为新兴的液态金属柔性智能机器的研制和应用进一步打下理论与技术基础。

  液态金属研究的“潜修者”

  所谓液态金属,既可以是像水一样的流体,也可以是固体;既是导体,也可以转换成其他性质材料。比如,源于刘静小组的工作表明,液态金属可以注射入人的身体里固化作为骨骼。在理想状态下,即便人体内极为脆弱的神经断了,未来科学家也可以应用液态金属把断了的神经连起来。可以说,液态金属孕育着许多前瞻性、前沿性的应用。

  “科学研究存在不确定性,但又有必然性。坚持不懈,就会在合适的时机实现跨越,科学青睐有准备的头脑说的就是这个道理。”谈起多年来实验室在液态金属领域取得的系列发现,刘静不无感慨。

  早在1999年,时年30岁的刘静就被中科院理化所作为“百人计划”引进所里,此后幸运飞艇,他就开始了相关领域的研究。

  “任何科研成果的取得,都不会是一蹴而就的,但都包含一定逻辑规律在内,基础研究尤其如此。”刘静坦言,早在本世纪初,他们就一直潜心于液态金属的探索。尽管在很长的时间内,这一领域在国际上几乎完全是冷门,“液态金属的确被世人所严重忽视了,”但刘静始终认为,液态金属拥有广阔的应用前景,也蕴藏着丰富的科学。最终,科学之神慷慨地赐予了回报,给刘静及其小组带来了意外之喜——2013年秋,世界首台电控的可变形液态金属机器被他们首次发现。

  在一次偶然的试验中,刘静小组发现浸没于水中的镓基液态金属对象,可以在极低电压作用下呈现出大尺度变形、自旋、定向运动乃至在周围流体中诱发出涡街等现象。较为独特的是,一块很大的金属液膜可在数秒内即收缩为单颗金属液球,变形过程十分快速,而表面积改变幅度高达上千倍。此外,在外电场作用下,大量彼此分离的金属液球可发生相互合并,直至融合成单一的液态金属球。

  去年,刘静的成果发表在国外权威期刊上,引发广泛关注。今年3月,刘静再次彰显了中国科学家的原创实力——他和他的团队发表了《仿生型自驱动液态金属软体动物》的论文。随后,论文迅速被数十个国际科学杂志或专业网站报道,引起较大的热议和反响。

  这种机器完全不依靠外界电场就能实现自由运动,可以说比之前成果实现了一大跨越。

  原来,依靠进食铝,这种液态金属球就可以实现自由运动。刘静团队经过后续的大量试验发现,一小片铝即可驱动直径约5毫米的液态金属球实现长达1个多小时的持续运动,速度高达每秒5厘米。这种柔性机器既可在自由空间运动,又能于各种结构槽道中蜿蜒前行。

  科研人员认为,这种液态金属机器的习性已相当接近自然界一些简单的软体生物(比如草履虫),因为它能“吃”燃料,自身几乎不消耗,可以自主运动,还能变形,具备一定的化学反应,因此将其命名为“液态金属软体动物”。

  这种液态金属机器完全摆脱了庞杂的外部电力系统,从而向研制自主独立的柔性智能机器迈出了关键的一步。

  近来,在前面取得的重大发现基础上,刘静团队再度取得系列突破。

  逐步揭示原理

  “光发现液态金属的自驱动及相关现象还不够,要实现应用,必须对它作进一步研究,比如,如何控制液态金属机器的行为。”刘静说,在前期基础上,实验室继续对液态金属机器进行了全方位的实验,首次定义并证实了一种崭新的机器形态——过渡态机器。

  “我们已经知道,液态金属球能吃铝,那么,若将其收集起来注射到溶液中的话,会出现什么现象呢?”结果令人吃惊,瞬间产生了大量四处奔跑的液态金属马达群,如同中国古典小说《西游记》中所描述的孙悟空拔出汗毛变成一大群小猴的情形。而且,其形态变化的速度非常之快。

  研究人员将液态金属马达放入溶液中,发现这些液滴机器会表现出碰撞、吸引、融合、反弹、排列组合等一系列丰富的物理学图景和有趣行为,并可根据需要在形态、尺寸和速度各异的机器架构间发生转换。

  “在溶液中,大大小小的液体马达可以形成多种排列组合,分头或协同行动,最后还能归为一个整体。”而这种状态并不固定唯一,随时可以变换的机器,刘静将其命名为过渡态机器。

  此前,刘静小组已经设计出无须外界电力的液态金属泵,通过将其限定于阀座内,可达到自行旋转并泵送流体的目的,据此可快速制造出大量微泵,满足诸如药液、阵列式微流体、芯片散热器中流体的输运等。而过渡态机器的发现,则为研发可自我组装和分身型软体机器以及注射式微型医疗器件、药物载送体等提供了重要启示。“液态金属马达的运行速度非常快,这相比以往研究的微纳马达来说更加便捷。”

  刘静的另外一个研究成果,则与布朗运动有关。

  1827年,苏格兰植物学家罗伯特·布朗发现水中的花粉及其他悬浮的微小颗粒不停地作不规则的曲线运行,称为布朗运动。人们长期都不知道其中的原理。50年后,J·德耳索提出这些微小颗粒是受到周围分子的不平衡的碰撞而导致的运动。后来得到爱因斯坦的研究的证明。布朗运动也因此成为分子运动论和统计力学发展的基础。

  比如,在显微镜下观察悬浮在水中的藤黄粉、花粉微粒,或在无风情形观察空气中的烟粒、尘埃时都会看到这种运动。温度越高,运动越激烈。

  “应该说,布朗运动通常所指的是一种微观世界的现象,需要用显微镜等才能看到。那么,宏观世界有否更多模式呢?”刘静团队研究发现,毫米级甚至更大尺寸的液态金属马达,也存在这种类似布朗运动的现象。不同于传统认识的是,液态金属马达的驱动力来自内部(铝和水进行反应产生氢),且是随机的,因此也表现出不规则的曲线运动,刘静为此称其为自驱动宏观布朗运动。

  “值得指出的是,液态金属与铝构成的液相合金产氢效率很高,成本低,整个过程在常温下易于实现,这实际上提供了一种颇为简便快捷的获取清洁能源氢的方法,实用价值很高,此方面正在催生出新的制氢研究方向。”刘静说。

  控制,然后利用它

  之前的研究揭示了液态金属的诸多特性,那么,我们能不能用一些手段控制它的行为呢?

  刘静团队发现,在特殊条件下,可以对液态金属实现“可控”。

  金属液滴马达看上去虽一目了然,但实际上里面蕴藏着丰富的电化学原理,其表面就带有电荷。因此,磁场对于液态金属马达可能会产生影响。刘静团队正是从这一理念出发,将一个永磁体设置在装有液态金属马达的容器底部,从而发现了有趣的“磁阱效应”——对于直径在1mm以下的液滴马达群,一定强度的磁场就足以将其从隐形的边界上反弹回。由于洛伦兹力作用,因吞食铝形成的液滴表面电荷越多,则磁阱效应越强。

  需要指出的是,如果液态金属马达的体积过大,则会无视这种效应,继续往前运动。这一发现指出了一条控制液态金属马达行为的重要途径。

  在自然界,实现能在不同形态之间自由转换的可变形柔性机器,是科学界与工程界长久以来的梦想。在生物医用、科学探索乃至国防安全中,液态金属幸运飞艇机器都极具重大理论意义和应用前景。

  刘静指出,传统上,由刚体材料制成的运动机器,甚至是自然界中的生命体,通常均不具备自动融合或分离的能力。可自动组装并能随意变形的液态金属柔性机器为此打开了全新突破口,这对未来智能材料、柔性血管机器人的设计,以及流体力学包括软物质研究会带来重要启示,相应发现显著扩展了人们对于复杂流体及液态金属材料的传统认识,同时也为金属液滴(马达)的生成、操控、3D打印乃至流体特性的刻画提供了基本工具。

  “未来的机器人,一定是高度灵活、智能、柔性化的。”刘静认为,液态金属机器领域大有可为,可望促成全新机器人的研制,他为此将实验室任务定为SMILE计划(取Soft Machine based on Intelligence, Liquid Metal and Electronics缩写之意),以期结合智能、液态金属和电子构筑未来柔性机器。但他同时也表示,目前,相应机器的研究还“刚刚开始”。

  “就像人一样,必须有细胞、组织才能构成皮肤,还需要血液、骨架、神经等等,构筑液态金属机器的每一步都需要非常多的积累。当然,我们一方面既要扎实推进基础研究,同时也会探索衍生的各种应用,通过彼此交互来推进液态金属研究。”刘静最后表示。

  (原载于《中国科学报》 2015-09-28 第5版 创新周刊)