首個(gè)自主運(yùn)動(dòng)可變形液態(tài)金屬機(jī)器問(wèn)世

從中科院獲悉，中科院理化所與清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院聯(lián)合研究小組研發(fā)出世界首個(gè)自主運(yùn)動(dòng)的可變形液態(tài)金屬機(jī)器。研究論文迅速被數(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。

　　由研究員劉靜帶領(lǐng)研究組于世界上首次發(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。

　　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)每秒5厘米。

　　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。

　　在迄今所發(fā)展的各種柔性機(jī)器中，自主型液態(tài)金屬機(jī)器所表現(xiàn)出的變形能力、運(yùn)轉(zhuǎn)速度與壽命水平等均較為罕見，這為其平添了諸多重要用途。作為具體應(yīng)用器件之一，還特別展示了首個(gè)無(wú)需外界電力的液態(tài)金屬泵，通過(guò)將其限定于閥座內(nèi)，可達(dá)到自行旋轉(zhuǎn)并泵送流體的目的，據(jù)此可快速制造出大量微泵，滿足諸如藥液、陣列式微流體的輸運(yùn)等，成本極低;若將此類柔型泵用作降溫，還可實(shí)現(xiàn)高度集成化的微芯片冷卻器;進(jìn)一步的應(yīng)用可發(fā)展成血管或腔道機(jī)器人甚至是可自我組裝的液態(tài)金屬智能機(jī)器等。

　　自驅(qū)動(dòng)液態(tài)金屬機(jī)器的問(wèn)世引申出了全新的可變形機(jī)器概念，將顯著提速柔性智能機(jī)器的研制進(jìn)程。當(dāng)前，全球圍繞先進(jìn)機(jī)器人的研發(fā)活動(dòng)正處于如火如荼的階段，若能充分發(fā)揮液態(tài)金屬所展示出的各種巨大潛力，并結(jié)合相關(guān)技術(shù)，將引發(fā)諸多超越傳統(tǒng)的機(jī)器變革。