如同軟體動(dòng)物般的自驅(qū)動(dòng)液態(tài)金屬機(jī)器示意圖。
看過好萊塢影片《終結(jié)者》的觀眾，一定會對影片中始終不能被擊敗的液態(tài)金屬機(jī)器人印象深刻。它在受到外界打擊后，不僅可以任意改變外表，還能像液體一樣重新聚集，恢復(fù)原貌。
這一科學(xué)幻想色彩濃厚的機(jī)器人也許未來將成為現(xiàn)實(shí)。近日，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院與中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所聯(lián)合研究小組，研發(fā)出了世界首個(gè)自主運(yùn)動(dòng)的可變形液態(tài)金屬機(jī)器，為研發(fā)可變形機(jī)器人邁出了重要一步，為人類制造出可變形機(jī)器人“終結(jié)者”指明了方向。
神奇特性
能“吃”、會動(dòng)、自主變形，這個(gè)機(jī)器身段很柔軟
該聯(lián)合小組近日在期刊《先進(jìn)材料》上發(fā)表論文，宣布在世界上首次發(fā)現(xiàn)液態(tài)金屬有一種異常獨(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)，長時(shí)間高速運(yùn)動(dòng)。
該小組負(fù)責(zé)人，清華大學(xué)教授、中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所雙聘研究員劉靜說，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，置于電解液中的鎵基液態(tài)合金可通過“攝入”鋁，作為提供能量的燃料，實(shí)現(xiàn)高速、高效、長時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)：僅需一小片鋁即可驅(qū)動(dòng)直徑約5毫米的液態(tài)金屬球完成長達(dá)1個(gè)多小時(shí)的持續(xù)運(yùn)動(dòng)，速度高達(dá)5厘米/秒。
“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)，像極科幻電影《終結(jié)者》中的液態(tài)機(jī)器人。”劉靜說。
劉靜和他的研究團(tuán)隊(duì)親切地稱該液態(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。
該研究小組已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中制成了不同大小的液態(tài)金屬機(jī)器，尺寸從數(shù)十微米到數(shù)厘米不等，并在不同電解液環(huán)境如堿性、酸性乃至中性溶液中驗(yàn)證了其自主運(yùn)動(dòng)的性能。
研究人員還揭示了這種自主型液態(tài)金屬機(jī)器的動(dòng)力的主要來源：一是液態(tài)合金、金屬燃料等形成的內(nèi)生電場，誘發(fā)了液態(tài)金屬表面的高表面張力發(fā)生不對稱響應(yīng)，從而對變形的液態(tài)金屬機(jī)器帶來了強(qiáng)大推力；二是，上述電化學(xué)反應(yīng)過程中產(chǎn)生的氫氣進(jìn)一步為液態(tài)金屬運(yùn)動(dòng)提供了推力。
劉靜研究小組一直致力于液態(tài)金屬相關(guān)研究。2014年，該小組在世界上首次發(fā)現(xiàn)電場控制下液態(tài)金屬與水的復(fù)合體可在各種形態(tài)及運(yùn)動(dòng)模式之間發(fā)生轉(zhuǎn)換的基本現(xiàn)象，在此基礎(chǔ)上，經(jīng)過試驗(yàn)，在一次偶然研究中，發(fā)現(xiàn)了液態(tài)金屬這一具有自主可變的特性。劉靜表示，作為新興的功能材料，液態(tài)金屬擁有許多常規(guī)材料不具備的新奇物理特性，對它的深入研究能為材料科學(xué)提供豐富的研究空間。
未來用途
智能血管機(jī)器人、可變形救災(zāi)機(jī)器人，幻想離現(xiàn)實(shí)更近了
目前，全球正圍繞先進(jìn)機(jī)器人進(jìn)行各類研發(fā)競爭，該論文發(fā)表后，引起世界范圍內(nèi)眾多科學(xué)雜志、專業(yè)網(wǎng)站的關(guān)注和討論。分析人士表示，自驅(qū)動(dòng)液態(tài)金屬機(jī)器的問世及其引申出的全新的可變形機(jī)器概念，有望變革傳統(tǒng)的機(jī)器制造理念，提速柔性智能機(jī)器的研制進(jìn)程。
劉靜介紹，研究小組還做出了推動(dòng)自主運(yùn)動(dòng)液態(tài)金屬的具體應(yīng)用器件，在發(fā)表的論文中，研究人員展示了全球首個(gè)無需外界電力的液態(tài)金屬泵，通過將其限定于閥座內(nèi)，可達(dá)到自行旋轉(zhuǎn)并泵送流體的目的。人們可由此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。
劉靜說，做出能在不同形態(tài)之間自由轉(zhuǎn)換的可變形柔性機(jī)器，以執(zhí)行常規(guī)技術(shù)難以完成的特殊任務(wù)，是科學(xué)界與工程界長久以來的夢想。比如，在抗震救災(zāi)或特定的軍事行動(dòng)中，變形柔性機(jī)器人能根據(jù)需要適時(shí)變形，以穿過狹小的通道、門縫乃至散布于建筑物中的空隙，之后再重新恢復(fù)原形并繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)。
要制造出此類高級機(jī)器人，可變形性和柔性特征是極為關(guān)鍵的一環(huán)。劉靜說，當(dāng)前，機(jī)器人普遍作為一種剛體機(jī)器發(fā)揮作用，這與自然界中人或動(dòng)物有著平滑柔軟的外表以及無縫連接方式完全不同。作為國際前沿研究方向，科技界也在這方面做出諸多探索，也發(fā)明了一些具有柔性特征的機(jī)器人，但它們離理想中的高級機(jī)器人所應(yīng)擁有的柔軟和變形能力還有很大距離。
業(yè)界認(rèn)為，人們一旦突破了材料和技術(shù)理念的限制，柔性智能機(jī)器人的作用將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)有的機(jī)器人。劉靜小組研發(fā)的能夠自主運(yùn)動(dòng)液態(tài)金屬機(jī)器，由于無需外部電力驅(qū)動(dòng)，柔性極佳，為可變形材料特別是液體機(jī)器的設(shè)計(jì)和制造邁出了關(guān)鍵的一步，為研制實(shí)用化智能馬達(dá)、血管機(jī)器人乃至更為復(fù)雜的液態(tài)金屬機(jī)器人提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)上實(shí)現(xiàn)的方向。
劉靜說，未來科學(xué)家還可將這種智能液態(tài)金屬單元擴(kuò)展到三維，組裝出具有特殊造型和可編程能力的仿生物或人形機(jī)器，甚至還能研制出相應(yīng)的機(jī)器，在外太空微重力或無重力環(huán)境下執(zhí)行任務(wù)。
據(jù)介紹，未來該研究小組將圍繞可變形機(jī)器，結(jié)合生物學(xué)、機(jī)器人、流體力學(xué)、電子、傳感器等學(xué)科的知識，進(jìn)一步發(fā)展可變形室溫液態(tài)金屬機(jī)器的理論與技術(shù)，揭示室溫液態(tài)金屬特性和原理，并希望最終促成可變形機(jī)器從理論變成現(xiàn)實(shí)。(記者 喻思孌)