電場控制下的液態(tài)金屬大尺度變形以及液態(tài)金屬球之間的粘連與融合現(xiàn)象


電場控制下的液態(tài)金屬球高速自旋運動以及由此誘發(fā)的周邊流體渦漩現(xiàn)象


資料圖：電影《終結(jié)者2》中的液態(tài)金屬機(jī)器人，新發(fā)現(xiàn)為建造該類型智能機(jī)器人提供了基本要素，雖然還有很長的路要走但已不再只是空中樓閣。

近期，由劉靜研究員帶領(lǐng)的中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所與清華大學(xué)聯(lián)合研究小組，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)及運動模式之間發(fā)生轉(zhuǎn)換的基本現(xiàn)象，相應(yīng)研究在線發(fā)表于Advanced Materials（《先進(jìn)材料》）上，論文題為Diverse Transformations of Liquid Metals Between Different Morphologies（《不同構(gòu)象之間的液態(tài)金屬多變形性》）。
此項工作源于團(tuán)隊長期以來在液態(tài)金屬領(lǐng)域不斷研究推進(jìn)中的偶然發(fā)現(xiàn)。論文通過系統(tǒng)的實驗，揭示出室溫液態(tài)金屬具有可在不同形態(tài)和運動模式之間轉(zhuǎn)換的普適變形能力。比如，浸沒于水中的液態(tài)金屬對象可在低電壓作用下呈現(xiàn)出大尺度變形、自旋、定向運動，乃至發(fā)生液球之間的自動融合、斷裂-再合并等行為，且不受液態(tài)金屬對象大小的限制；較為獨特的是，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，變形過程十分快速，而表面積改變幅度可高達(dá)上千倍；此外，在外電場作用下，大量彼此分離的金屬液球可發(fā)生相互粘連及合并，直至融合成單一的液態(tài)金屬球；依據(jù)于電場控制，液態(tài)金屬極易實現(xiàn)高速的自旋運動，并在周圍水體中誘發(fā)出同樣處于快速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的漩渦對；若適當(dāng)調(diào)整電極和流道，還可將液態(tài)金屬的運動方式轉(zhuǎn)為單一的快速定向移動。研究表明，造成這些變形與運動的機(jī)制之一在于液態(tài)金屬與水體交界面上的雙電層效應(yīng)。以上豐富的物理學(xué)圖景革新了人們對于自然界復(fù)雜流體、軟物質(zhì)特別是液態(tài)金屬材料學(xué)行為的基本認(rèn)識。這些超越常規(guī)的物體構(gòu)象轉(zhuǎn)換能力很難通過傳統(tǒng)的剛性材料或流體介質(zhì)實現(xiàn)，它們事實上成為用以構(gòu)筑可變形智能機(jī)器的基本要素，為可變形體特別是液體機(jī)器的設(shè)計和制造開辟了全新途徑。
由于上述發(fā)現(xiàn)的科學(xué)突破性和實際應(yīng)用價值，研究小組在今年1月間將部分成果以《液態(tài)金屬變形體》（Liquid Metal Transformers）為題公布于物理學(xué)預(yù)印本網(wǎng)站arXiv時，很快就在國際上引起重大反響及廣泛熱烈的討論，一度被多達(dá)上百個科學(xué)或?qū)I(yè)英文網(wǎng)站予以專題報道和評介。業(yè)界普遍認(rèn)為，這一“液體機(jī)器預(yù)示著柔性機(jī)器人的新時代”（liquid machines promise new era of soft robots），“這些先驅(qū)性工作或讓液體金屬‘終結(jié)者’成真”（this might be about to change thanks to the pioneering work），有關(guān)網(wǎng)站還以“中國正在測試自我打印機(jī)器人”為題進(jìn)行了報道；而Advanced Materials的幾位審稿人在評閱論文時，認(rèn)為所揭示的現(xiàn)象“令人著迷”（fascinating），“注定會成為重要的研究領(lǐng)域”（bound to be an important field of study）。無獨有偶，今年3月初，一組來自澳大利亞的科學(xué)家們也在美國科學(xué)院院刊（PNAS）上報道了利用電控下浸沒于NaOH溶液中的液態(tài)金屬微球的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)來驅(qū)動流體的工作，同樣引起較大反響，這些工作均展示出液態(tài)金屬技術(shù)的獨特魅力。
眾所周知，在自然界，實現(xiàn)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)難以完成的更為特殊高級的任務(wù)，是科學(xué)界與工程界長久以來的夢想，相應(yīng)研究在民用、醫(yī)療與科學(xué)探索中具有重大理論意義和應(yīng)用前景。比如，在抗震救災(zāi)動中，此類機(jī)器人應(yīng)能根據(jù)需要適時變形，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)。事實上，在醫(yī)學(xué)實踐中，研制可沿血管包括人體自然腔道運動，以承擔(dān)各種在體醫(yī)學(xué)服務(wù)的柔性機(jī)器人，早已成為非?，F(xiàn)實的科學(xué)目標(biāo)。顯然，在最為高級的機(jī)器人中，具備可變形性和柔性特征是極為關(guān)鍵的一環(huán)。人們普遍認(rèn)為，一旦這樣的技術(shù)得以實現(xiàn)，其對人類活動所作出的貢獻(xiàn)，將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)有的機(jī)器人。不過，由于受到來自材料特別是技術(shù)理念的限制，有關(guān)研究尚處于積極的推進(jìn)之中。
迄今，機(jī)器人大多仍是作為一種剛體機(jī)器發(fā)揮作用，這與自然界中人或動物有著平滑柔軟的外表以及無縫連接方式完全不同。柔性機(jī)器作為新的發(fā)展前沿，已促成多類型機(jī)器人的發(fā)明，但離理想中的高級機(jī)器所應(yīng)擁有的柔軟和普適變形能力還有很大距離?；仡櫼酝祟愃鶚?gòu)想過的各種先進(jìn)機(jī)器雛形，最讓人印象深刻者莫過于美國好萊塢影片《終結(jié)者》中始終不能被擊敗的液態(tài)金屬機(jī)器人，這種可以改變外表形狀，呈現(xiàn)各種造型，未來色彩極為濃厚的機(jī)器，雖純屬科學(xué)幻想，卻使人類對機(jī)器人的概念有了重大改變。

劉靜小組的上述發(fā)現(xiàn)，為可變形材料特別是液體機(jī)器的設(shè)計和制造邁出了關(guān)鍵性的一步，一定程度上從理論和技術(shù)的層面論證了實現(xiàn)液態(tài)金屬機(jī)器人的可能性；事實上，該研究已打開了系列已趨現(xiàn)實的應(yīng)用范疇，如制造柔性執(zhí)行器，控制目標(biāo)流體或傳感器的定向運動、金屬液體回收，以及用作微流體閥、泵或更多人工機(jī)器等。若采用空間架構(gòu)的電極控制，還可望將這種智能液態(tài)金屬單元擴(kuò)展到三維，以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，在外太空探索中的微重力或無重力環(huán)境下，也可發(fā)展對應(yīng)的機(jī)器來執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)。
總之，作為一大類新興的功能材料，液態(tài)金屬擁有許多常規(guī)材料不易具備的屬性，蘊(yùn)藏著諸多以往從未被認(rèn)識的新奇物理特性，為若干科學(xué)與技術(shù)探索提供了豐富的研究空間。今后，研究小組還將繼續(xù)圍繞可變形機(jī)器這一重大基礎(chǔ)前沿和戰(zhàn)略需求，融合液態(tài)金屬材料、生物學(xué)、機(jī)器人、流體力學(xué)、電子、傳感器以及計算機(jī)等學(xué)科的知識，系統(tǒng)發(fā)展可變形室溫液態(tài)金屬機(jī)器的理論與技術(shù)體系，全面揭示室溫液態(tài)金屬超常的構(gòu)象轉(zhuǎn)換、變形與運動機(jī)理及調(diào)控方法，以期為未來研發(fā)尖端柔性機(jī)器并開辟全新應(yīng)用創(chuàng)造條件，最終促成可變形機(jī)器從理論到應(yīng)用技術(shù)上的全面突破。

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