電場(chǎng)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(chǎng)控制下的液態(tài)金屬球高速自旋運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)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(guó)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(chǎng)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，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(xiàng)工作源于團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)，揭示出室溫液態(tài)金屬具有可在不同形態(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、自旋、定向運(yùn)動(dòng)，乃至發(fā)生液球之間的自動(dòng)融合、斷裂-再合并等行為，且不受液態(tài)金屬對(duì)象大小的限制；較為獨(dú)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(chǎng)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(chǎng)控制，液態(tài)金屬極易實(shí)現(xiàn)高速的自旋運(yùn)動(dòng)，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(duì)；若適當(dāng)調(diào)整電極和流道，還可將液態(tài)金屬的運(yùn)動(dòng)方式轉(zhuǎn)為單一的快速定向移動(dòng)。研究表明，造成這些變形與運(yùn)動(dòng)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(duì)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(shí)。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(shí)現(xiàn)，它們事實(shí)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(jì)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(shí)際應(yīng)用價(jià)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(shí)，很快就在國(guó)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(gè)科學(xué)或?qū)I(yè)英文網(wǎng)站予以專題報(bào)道和評(píng)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(shí)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(guó)正在測(cè)試自我打印機(jī)器人”為題進(jìn)行了報(bào)道；而Advanced Materials的幾位審稿人在評(píng)閱論文時(shí)，認(rèn)為所揭示的現(xiàn)象“令人著迷”（fascinating），“注定會(huì)成為重要的研究領(lǐng)域”（bound to be an important field of study）。無獨(dú)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(guó)科學(xué)院院刊（PNAS）上報(bào)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(dòng)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(dú)特魅力。
眾所周知，在自然界，實(shí)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(jí)的任務(wù)，是科學(xué)界與工程界長(zhǎng)久以來的夢(mèng)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(dòng)中，此類機(jī)器人應(yīng)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)。事實(shí)上，在醫(yī)學(xué)實(shí)踐中，研制可沿血管包括人體自然腔道運(yùn)動(dòng)，以承擔(dān)各種在體醫(yī)學(xué)服務(wù)的柔性機(jī)器人，早已成為非常現(xiàn)實(shí)的科學(xué)目標(biāo)。顯然，在最為高級(jí)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(shí)現(xiàn)，其對(duì)人類活動(dòng)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(dòng)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(jí)機(jī)器所應(yīng)擁有的柔軟和普適變形能力還有很大距離。回顧以往人類所構(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(guó)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(duì)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(jì)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(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬機(jī)器人的可能性；事實(shí)上，該研究已打開了系列已趨現(xiàn)實(shí)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(yùn)動(dòng)、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(duì)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(shí)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(jì)算機(jī)等學(xué)科的知識(shí)，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(yùn)動(dòng)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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