作者 汪鴻章 陳森 單曉暉
液態(tài)金屬多變形現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，被認為預(yù)示著柔性機器人新時代的到來，而液態(tài)金屬自驅(qū)動仿生軟體動物效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)更將這一研究推向激動人心的熱潮。發(fā)展至今，液態(tài)金屬機器人已被公認為機器人領(lǐng)域中最具發(fā)展前景的十大方向之一。隨著研究的持續(xù)推進，一系列形態(tài)各異的液態(tài)金屬機器人正向我們款款走來。
機器人是一種能夠自主或半自主執(zhí)行功能的智能機器，有沒有一種機器人可在不同形態(tài)之間任意切換，以執(zhí)行傳統(tǒng)機器人難以完成的特殊任務(wù)？如在抗震救災(zāi)過程中，機器人可改變自身形態(tài)，穿越建筑廢墟的狹縫，完成探測救援任務(wù)；又如，在遭受巨大的破壞后，機器人可瞬間自修復(fù)，繼續(xù)執(zhí)行功能。這一功能的實體早在中國神話故事中就已出現(xiàn)：“土行孫”可直接穿越泥土的狹縫；孫悟空具有隨意變身的法術(shù)。實現(xiàn)任意變形的功能不僅僅是出現(xiàn)在神話中，也是全世界科技界和工程界的夙愿。科幻電影《終結(jié)者》中的可變形液態(tài)金屬機器人T-1000則將這一夙愿推向了高潮。液態(tài)金屬機器人可以化成流淌的液體鉆過任意狹縫，又可緩緩浮出地面，自組裝成人形；即使身體裂開兩半，也可以瞬間恢復(fù)如初。這一天馬行空想象，成為一批科學(xué)家矢志不渝、努力奮斗的終極目標。T-1000的科技原型液態(tài)金屬機器正是他們所研究的對象，而中國在這一領(lǐng)域處于國際競爭的前沿。
液態(tài)金屬可變形機器人示意 [1]
液態(tài)金屬典型特征是具有良好的流動性、超高的導(dǎo)電導(dǎo)熱特性、低熔點和高沸點、高表面張力、多刺激響應(yīng)特性。液態(tài)金屬可變形機器人主要是由鎵和鎵基合金構(gòu)成，具備智能響應(yīng)特性，可自主或半自主執(zhí)行功能，為智能機器人的研究提供了廣闊的空間。液態(tài)金屬機器人技術(shù)一旦突破成功，將科幻帶進現(xiàn)實，必將革新人類日常生活的方方面面。
液態(tài)金屬大尺度變形現(xiàn)象
2014年，我國科學(xué)家首次揭示了液態(tài)金屬可在不同形態(tài)之間可逆切換行為 [3]，開啟了液態(tài)金屬可變形機器從科幻逐漸走進現(xiàn)實的新時代。研究者發(fā)現(xiàn)，浸沒在水中的鎵基液態(tài)金屬可在低電壓刺激下，呈現(xiàn)出大幅度變形行為，一灘液態(tài)金屬可在瞬間收縮為金屬液滴，表面積變化可達上千倍，甚至可以輕易鉆過較自身狹窄多倍的縫隙。液態(tài)金屬可以“分身”出若干金屬液滴，并有序向一側(cè)移動；不僅如此，兩個分離的液態(tài)金屬球可以相互靠近并融合，合二為一。調(diào)整電壓和電極位置，液態(tài)金屬還可以實現(xiàn)高速自旋運動以及定向高速運動。進一步地，研究者發(fā)現(xiàn)通過化學(xué)—電學(xué)協(xié)同控制，精確調(diào)控表面張力，可實現(xiàn)完全可逆的變形行為，液態(tài)金屬可以在球體和鋪展狀態(tài)之間可逆調(diào)節(jié)。研究者揭示了這一系列變形行為與界面雙電層的形成和液態(tài)金屬表面可逆氧化有關(guān)。調(diào)整接觸基底、電解質(zhì)類型，還可以實現(xiàn)更多千奇百怪的行為。例如，在浸入堿性溶液的石墨表面，液態(tài)金屬可以快速鋪展開來，能被塑造成更多形狀。在電場作用下，液態(tài)金屬甚至可逆重力蠕動爬行。結(jié)合3D打印固體器件，液態(tài)金屬還可以作為可變形車輪，在低電壓刺激下，即可帶動車身運動，遇到狹窄的槽道，液態(tài)金屬變形以帶動車身鉆過狹縫。
研究團隊進一步拓展了液態(tài)金屬可變形機器的多場驅(qū)動方式，通過金屬胞吞作用，賦予液態(tài)金屬以磁響應(yīng)特性，以擺脫機器受限于溶液環(huán)境的問題，從而實現(xiàn)三維空間的可控運動。通過磁場調(diào)控，液態(tài)金屬機器還可實現(xiàn)可逆的固液切換，使得剛?cè)岵目勺冃螜C器人成為了可能。
這些基礎(chǔ)發(fā)現(xiàn)革新了人們對于液態(tài)金屬可變形機器的認識，通過傳統(tǒng)的剛性材料或流體是難以復(fù)現(xiàn)上述現(xiàn)象。事實上，這些行為已經(jīng)滿足構(gòu)筑液態(tài)金屬可變形機器的基本要素，為研制新型可變形機器開辟了全新途徑。這一工作在國際上引發(fā)重大反響，成為液態(tài)金屬可變形機器人領(lǐng)域的開端。
液態(tài)金屬大尺度變形與運動 [3,4] (a)一灘液態(tài)金屬收縮成為一滴金屬球；(b)兩滴液態(tài)金屬球融為一體；(c)液態(tài)金屬球在電場刺激下鉆過較自身狹窄多倍的狹縫，穿越后恢復(fù)原狀。
液態(tài)金屬爬行機器人
爬行軟體機器人是一類用柔性可變形材料研制的機器人，能夠自由改變自身的形狀，實現(xiàn)多種運動功能。自然界中各種生物經(jīng)過數(shù)億年的演化，可以通過各種身體變化以在復(fù)雜的自然環(huán)境中快速運動。例如，樹上的尺蠖利用身體的收縮以及頭部和尾部摩擦力的變化，實現(xiàn)定向蠕動爬行，在樹葉間來回穿梭。液態(tài)金屬具有良好的熱導(dǎo)率，可以更快地傳導(dǎo)熱量，研究人員利用這個特性，從而仿生制造了一種可以在溫度刺激下可控運動的爬行機器人。研究人員巧妙地將高導(dǎo)熱率的液態(tài)金屬與低沸點液體和硅橡膠混合，開發(fā)出一種具有溫度響應(yīng)功能的液態(tài)金屬復(fù)合材料作為爬行機器人軀干，使其可在外界溫度刺激下實現(xiàn)快速大尺度膨脹和收縮。借助結(jié)合3D打印技術(shù)加工的具有選擇性抓取和放松（改變摩擦力） 的雙足，爬行機器人可以在冷熱刺激下充分發(fā)揮液態(tài)金屬復(fù)合材料的可控收縮和膨脹性能，以改變機器人軀干的長度，驅(qū)動機器人向前運動。
不僅仿生蠕蟲爬行機器人的研發(fā)和應(yīng)用受到了廣泛關(guān)注，彈跳、滾動等運動形式的機器人也引起研究人員的興趣。例如，利用液態(tài)金屬產(chǎn)生氫氣后使其爆炸提供動力，可使彈跳型運動機器人實現(xiàn)自身高度數(shù)十倍的跳躍并輕松跨越障礙，展現(xiàn)其在探險和救援領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力；利用熱刺激、電刺激或化學(xué)刺激等方式持續(xù)驅(qū)動液態(tài)金屬液滴運動，可使輪式液態(tài)金屬運動機器人改變重心，實現(xiàn)持續(xù)滾動功能 [5]。這一系列液態(tài)金屬爬行運動機器人的創(chuàng)新研究與新型應(yīng)用，彌補了傳統(tǒng)剛性機器人剛性結(jié)構(gòu)及驅(qū)動復(fù)雜等缺陷，擴大了機器人的應(yīng)用范圍，促進了特種機器人系統(tǒng)的發(fā)展。
液態(tài)金屬水下機器人
我們生活在一個藍色星球，其中水域面積占地球總面積的71%左右。在這廣闊無垠的水面下蘊藏著巨大的寶藏，而為了對水下情況進行探索就須使用水下機器人。對于水母，相信很多人都見過，它晶瑩剔透，游動時動作優(yōu)美、流暢、靈活、高效，因而成為水下機器人領(lǐng)域競相模仿的對象。液態(tài)金屬在室溫條件下具有良好的流動性和導(dǎo)電性，研究人員基于此特性制造了一種可在水下工作的水母機器人并完成了綜合測試 [6]。為了制備液態(tài)金屬水母機器人，研究人員首先通過倒模制造了硅膠流道，將液態(tài)金屬注入流道中，由此可制成具有液態(tài)金屬線圈的彈性膜。然后，永磁鐵被放入水母傘狀體中用以產(chǎn)生磁場，在永磁鐵產(chǎn)生的磁場中，對液態(tài)金屬線圈通入電流使薄膜受到安培力作用。當通交流電時，薄膜將受到吸引和排斥的力，通過上下運動帶動周圍的薄膜以及觸手運動。該方法利用液態(tài)金屬柔性線圈在電磁場中的運動實現(xiàn)了液態(tài)金屬水母機器人在水下的運動。實驗表明，此仿生水下機器人運動輕柔，對周圍生物的影響甚微，具有獨特的優(yōu)勢，有望用于水下救援、調(diào)查取樣、海底監(jiān)測、資源探測等各種領(lǐng)域。
液態(tài)金屬水下機器人 [6] (a)游動的水母；(b)液態(tài)金屬水母機器人；(c)液態(tài)金屬水母機器人用于監(jiān)測；(d)液態(tài)金屬水母機器人運動輕柔，不會影響游動的小魚。
液態(tài)金屬微納米機器人
微納米機器人屬于分子仿生學(xué)的范圍，以分子水平的生物學(xué)原理作為設(shè)計原型，在微納米空間制作微型機器人。因為其獨特的優(yōu)勢，微納米機器人研究吸引了國內(nèi)外大量研究人員的關(guān)注，一些科研成果已經(jīng)開始用于醫(yī)療和國防等領(lǐng)域。以往的研究中，研究人員利用已知的生物或細胞結(jié)構(gòu)作為納米機器人的結(jié)構(gòu)骨架來制備微納米機器人，獲得了納米齒輪、納米馬達、血管機器人等多種微納米機器。那么液態(tài)金屬作為一類性能優(yōu)異的可被多場驅(qū)動的智能軟材料，能否用于制造微納米機器呢？答案是肯定的。經(jīng)過數(shù)年的努力，我國液態(tài)金屬微納米機器人技術(shù)獲得了長足的發(fā)展，研究人員制造了多種液態(tài)金屬微納米機器人，并且逐步將這些機器人應(yīng)用于實際中。研究人員也發(fā)現(xiàn)，聲場也可對大量液態(tài)金屬微納米顆粒進行調(diào)控，實現(xiàn)液態(tài)金屬微納米液滴運動等功能 [7]。利用這種聲場驅(qū)動的特性，液態(tài)金屬微納米機器人可用于靶向疾病治療。基于液態(tài)金屬的優(yōu)異特性，我們有理由相信在不遠的將來，液態(tài)金屬微納米機器人將在更多的領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。
液態(tài)金屬自驅(qū)動機器人
液態(tài)金屬最令人驚異的行為或許是可以像生命那樣通過吞食“燃料”獲得長時間運動的能力。世界上首個液態(tài)金屬自主運動機器或稱仿生軟體動物于2015年誕生 [8]，宣告液態(tài)金屬智能機器邁入新時代，為人類研制自主獨立的可變形機器“終結(jié)者”指明了方向。研究發(fā)現(xiàn)置于電解質(zhì)溶液中的液態(tài)金屬可通過“吞食”微量鋁箔補充能量，實現(xiàn)高速、高效的運動，直徑僅為幾毫米的金屬機器可以持續(xù)運動超過1小時，速度每分鐘可達數(shù)千毫米。有意思的是，該變形機器不僅能在自由空間運動，在特殊槽道空間亦可蜿蜒前行，還可根據(jù)槽道寬窄調(diào)節(jié)自身體積從而順利通過。在圓形槽道中的液態(tài)金屬機器可被分離成若干個小型液態(tài)金屬機器，它們可以相互追逐，最終能融為一體，繼續(xù)運動。該液態(tài)金屬機器的尺寸可大可小，從數(shù)十微米到數(shù)十毫米不等。在中性溶液乃至酸堿溶液中均可自主運動。更有趣的是，液態(tài)金屬機器置于電解質(zhì)溶液中的石墨表面，可以自主伸出“偽足”，仿佛在探索周圍的環(huán)境，這已經(jīng)相當接近于自然界的原生動物。
自驅(qū)動現(xiàn)象背后的機制也被揭示，液態(tài)金屬、金屬燃料等形成的內(nèi)生電場，誘發(fā)了液態(tài)金屬的表面張力差異，從而對變形的液態(tài)金屬機器帶來了強大推力。另外，電化學(xué)反應(yīng)過程中產(chǎn)生的氣體進一步為液態(tài)金屬運動提供了助力。雙重作用產(chǎn)生了液態(tài)金屬自驅(qū)動行為。研究者基于此原理研制了無需外界電力的液態(tài)金屬泵，可以實現(xiàn)藥液和冷卻流體的輸運，有望用于血管或腔道機器人、芯片冷卻裝置等。這一突破性發(fā)現(xiàn)為研制實用化可變形機器人奠定了理論和技術(shù)基礎(chǔ)，在國際上引起了較大反響，先后得到Nature、Nature Materials、Science News等的評介報道，國際知名雜志發(fā)表評論稱“真正的液態(tài)金屬終結(jié)者T-1000誕生于中國實驗室”。
自驅(qū)動液態(tài)金屬機器 [8-10] (a)單個液滴自驅(qū)動并沿著Z形軌道蜿蜒前行；(b)3個液態(tài)金屬機器相互追逐行為，最終融為一體；(c)自驅(qū)動液態(tài)金屬自主變形行為，仿佛原生動物伸出偽足。
結(jié) 語
總的來說，不同于傳統(tǒng)的固態(tài)機器，液態(tài)金屬機器的問世引申出全新的可變形機器人概念，已被公認為機器人領(lǐng)域最具發(fā)展前景的重大方向之一。液態(tài)金屬機器還處在方興未艾的早期階段，大部分屬于基礎(chǔ)技術(shù)探索，成熟的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用非常少，距離研發(fā)出實際可應(yīng)用于生活的“終結(jié)者”變形機器人還有很長的路要走。不過毫無疑問，目前取得的系列進展足以令人興奮，從宏觀到微觀均有涉及，科幻電影中的情節(jié)也與現(xiàn)實越來越近，有望滿足科學(xué)界和工業(yè)界對可變形機器的重大需求。因此需要一大批學(xué)者和產(chǎn)業(yè)界通力合作，構(gòu)建基礎(chǔ)理論框架，突破技術(shù)瓶頸，把握發(fā)展機遇，推動液態(tài)金屬可變形機器人早日落地產(chǎn)業(yè)化。
國內(nèi)團隊目前仍然占據(jù)液態(tài)金屬可變形機器人領(lǐng)域的研究高地，包括清華大學(xué)、中國科學(xué)院、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、蘇州大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、武漢大學(xué)、華中科技大學(xué)、深圳大學(xué)等研究機構(gòu)的學(xué)者和產(chǎn)業(yè)界做出了突出貢獻。作為新興概念和產(chǎn)業(yè)，液態(tài)金屬可變形機器蘊含著眾多的研究機遇，諸如液態(tài)金屬智能復(fù)合材料的發(fā)展，揭示新材料的獨特變形運動機理，構(gòu)筑調(diào)控手段；液態(tài)金屬與生物學(xué)、機器人、電子學(xué)等領(lǐng)域的交叉融合，進一步促成液態(tài)金屬可變形機器人理論與應(yīng)用技術(shù)體系革新，為學(xué)科前沿提供豐富的研究空間；從工業(yè)實際需求切入，精準推動液態(tài)金屬可變形機器人的基礎(chǔ)研發(fā)，構(gòu)建配套基礎(chǔ)設(shè)施，并逐漸培育產(chǎn)業(yè)化市場，促進工業(yè)體系發(fā)展。
汪鴻章，博士；陳森，博士；單曉暉，博士研究生：清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，北京 100084。
Wang Hongzhang, Doctor; Chen Sen, Doctor; Shan Xiaohui, Doctoral Candidate: Department of Biomedical Engineering, School of Medicine, Tsinghua University, Beijing 100084.
關(guān)鍵詞：液態(tài)金屬 可變形機器人 自驅(qū)動系統(tǒng) 納米機器人 ■
聯(lián)系客服
