液態(tài)金屬機(jī)器：發(fā)現(xiàn)它，控制它，應(yīng)用它
來(lái)源：中國(guó)科學(xué)報(bào) 2015-9-28 彭科峰
今年夏季，全新上陣的好萊塢電影《終結(jié)者：創(chuàng)世紀(jì)》在全球范圍內(nèi)火熱上映。《終結(jié)者》系列電影上映之初，人們便對(duì)好萊塢導(dǎo)演的想象力大加贊服——施瓦辛格飾演的機(jī)器人，掏出霰彈槍朝液態(tài)機(jī)器人T-1000射擊，身體被打穿了數(shù)個(gè)大窟窿的液態(tài)機(jī)器人，卻能恢復(fù)原形“滿(mǎn)血復(fù)活”。
那么，這樣的變形機(jī)器人真的能夠出現(xiàn)在人類(lèi)的生活中嗎？
由劉靜教授帶領(lǐng)的中科院理化所、清華大學(xué)聯(lián)合小組就有關(guān)液態(tài)金屬變形機(jī)器的系列突破性發(fā)現(xiàn)證明，也許有一天，高度超過(guò)數(shù)米、能自行分解又能相互組合的變形機(jī)器人能夠真的問(wèn)世。
在前期于世界上首度研發(fā)世界首個(gè)自驅(qū)動(dòng)可變形液態(tài)金屬機(jī)器后，至今年9月份，劉靜團(tuán)隊(duì)在多家國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊上再發(fā)6篇相關(guān)論文，這項(xiàng)研究正在穩(wěn)步推進(jìn)中。
從首次發(fā)現(xiàn)自驅(qū)動(dòng)的液態(tài)金屬機(jī)器，到再度發(fā)現(xiàn)系列獨(dú)特的液態(tài)金屬基礎(chǔ)效應(yīng)、科學(xué)現(xiàn)象與可變形機(jī)器運(yùn)動(dòng)形態(tài)，劉靜團(tuán)隊(duì)正在為新興的液態(tài)金屬柔性智能機(jī)器的研制和應(yīng)用進(jìn)一步打下理論與技術(shù)基礎(chǔ)。
液態(tài)金屬研究的“潛修者”
所謂液態(tài)金屬，既可以是像水一樣的流體，也可以是固體；既是導(dǎo)體，也可以轉(zhuǎn)換成其他性質(zhì)材料。比如，源于劉靜小組的工作表明，液態(tài)金屬可以注射入人的身體里固化作為骨骼。在理想狀態(tài)下，即便人體內(nèi)極為脆弱的神經(jīng)斷了，未來(lái)科學(xué)家也可以應(yīng)用液態(tài)金屬把斷了的神經(jīng)連起來(lái)?？梢哉f(shuō)，液態(tài)金屬孕育著許多前瞻性、前沿性的應(yīng)用。
“科學(xué)研究存在不確定性，但又有必然性。堅(jiān)持不懈，就會(huì)在合適的時(shí)機(jī)實(shí)現(xiàn)跨越，科學(xué)青睞有準(zhǔn)備的頭腦說(shuō)的就是這個(gè)道理。”談起多年來(lái)實(shí)驗(yàn)室在液態(tài)金屬領(lǐng)域取得的系列發(fā)現(xiàn)，劉靜不無(wú)感慨。
早在1999年，時(shí)年30歲的劉靜就被中科院理化所作為“百人計(jì)劃”引進(jìn)所里，此后，他就開(kāi)始了相關(guān)領(lǐng)域的研究。
“任何科研成果的取得，都不會(huì)是一蹴而就的，但都包含一定邏輯規(guī)律在內(nèi)，基礎(chǔ)研究尤其如此。”劉靜坦言，早在本世紀(jì)初，他們就一直潛心于液態(tài)金屬的探索。盡管在很長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，這一領(lǐng)域在國(guó)際上幾乎完全是冷門(mén)，“液態(tài)金屬的確被世人所嚴(yán)重忽視了，”但劉靜始終認(rèn)為，液態(tài)金屬擁有廣闊的應(yīng)用前景，也蘊(yùn)藏著豐富的科學(xué)。最終，科學(xué)之神慷慨地賜予了回報(bào)，給劉靜及其小組帶來(lái)了意外之喜——2013年秋，世界首臺(tái)電控的可變形液態(tài)金屬機(jī)器被他們首次發(fā)現(xiàn)。
在一次偶然的試驗(yàn)中，劉靜小組發(fā)現(xiàn)浸沒(méi)于水中的鎵基液態(tài)金屬對(duì)象，可以在極低電壓作用下呈現(xiàn)出大尺度變形、自旋、定向運(yùn)動(dòng)乃至在周?chē)黧w中誘發(fā)出渦街等現(xiàn)象。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(guò)程十分快速，而表面積改變幅度高達(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)生相互合并，直至融合成單一的液態(tài)金屬球。
去年，劉靜的成果發(fā)表在國(guó)外權(quán)威期刊上，引發(fā)廣泛關(guān)注。今年3月，劉靜再次彰顯了中國(guó)科學(xué)家的原創(chuàng)實(shí)力——他和他的團(tuán)隊(duì)發(fā)表了《仿生型自驅(qū)動(dòng)液態(tài)金屬軟體動(dòng)物》的論文。隨后，論文迅速被數(shù)十個(gè)國(guó)際科學(xué)雜志或?qū)I(yè)網(wǎng)站報(bào)道，引起較大的熱議和反響。
這種機(jī)器完全不依靠外界電場(chǎng)就能實(shí)現(xiàn)自由運(yùn)動(dòng)，可以說(shuō)比之前成果實(shí)現(xiàn)了一大跨越。
原來(lái)，依靠進(jìn)食鋁，這種液態(tài)金屬球就可以實(shí)現(xiàn)自由運(yùn)動(dòng)。劉靜團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)后續(xù)的大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，一小片鋁即可驅(qū)動(dòng)直徑約5毫米的液態(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。
科研人員認(rèn)為，這種液態(tài)金屬機(jī)器的習(xí)性已相當(dāng)接近自然界一些簡(jiǎn)單的軟體生物（比如草履蟲(chóng)），因?yàn)樗?ldquo;吃”燃料，自身幾乎不消耗，可以自主運(yùn)動(dòng)，還能變形，具備一定的化學(xué)反應(yīng)，因此將其命名為“液態(tài)金屬軟體動(dòng)物”。
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)立的柔性智能機(jī)器邁出了關(guān)鍵的一步。
近來(lái)，在前面取得的重大發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)上，劉靜團(tuán)隊(duì)再度取得系列突破。
逐步揭示原理
“光發(fā)現(xiàn)液態(tài)金屬的自驅(qū)動(dòng)及相關(guān)現(xiàn)象還不夠，要實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，必須對(duì)它作進(jìn)一步研究，比如，如何控制液態(tài)金屬機(jī)器的行為。”劉靜說(shuō)，在前期基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)室繼續(xù)對(duì)液態(tài)金屬機(jī)器進(jìn)行了全方位的實(shí)驗(yàn)，首次定義并證實(shí)了一種嶄新的機(jī)器形態(tài)——過(guò)渡態(tài)機(jī)器。
“我們已經(jīng)知道，液態(tài)金屬球能吃鋁，那么，若將其收集起來(lái)注射到溶液中的話(huà)，會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象呢？”結(jié)果令人吃驚，瞬間產(chǎn)生了大量四處奔跑的液態(tài)金屬馬達(dá)群，如同中國(guó)古典小說(shuō)《西游記》中所描述的孫悟空拔出汗毛變成一大群小猴的情形。而且，其形態(tài)變化的速度非常之快。
研究人員將液態(tài)金屬馬達(dá)放入溶液中，發(fā)現(xiàn)這些液滴機(jī)器會(huì)表現(xiàn)出碰撞、吸引、融合、反彈、排列組合等一系列豐富的物理學(xué)圖景和有趣行為，并可根據(jù)需要在形態(tài)、尺寸和速度各異的機(jī)器架構(gòu)間發(fā)生轉(zhuǎn)換。
“在溶液中，大大小小的液體馬達(dá)可以形成多種排列組合，分頭或協(xié)同行動(dòng)，最后還能歸為一個(gè)整體。”而這種狀態(tài)并不固定唯一，隨時(shí)可以變換的機(jī)器，劉靜將其命名為過(guò)渡態(tài)機(jī)器。
此前，劉靜小組已經(jīng)設(shè)計(jì)出無(wú)須外界電力的液態(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(mǎn)足諸如藥液、陣列式微流體、芯片散熱器中流體的輸運(yùn)等。而過(guò)渡態(tài)機(jī)器的發(fā)現(xiàn)，則為研發(fā)可自我組裝和分身型軟體機(jī)器以及注射式微型醫(yī)療器件、藥物載送體等提供了重要啟示。“液態(tài)金屬馬達(dá)的運(yùn)行速度非?？?，這相比以往研究的微納馬達(dá)來(lái)說(shuō)更加便捷。”
劉靜的另外一個(gè)研究成果，則與布朗運(yùn)動(dòng)有關(guān)。
1827年，蘇格蘭植物學(xué)家羅伯特·布朗發(fā)現(xiàn)水中的花粉及其他懸浮的微小顆粒不停地作不規(guī)則的曲線(xiàn)運(yùn)行，稱(chēng)為布朗運(yùn)動(dòng)。人們長(zhǎng)期都不知道其中的原理。50年后，J·德耳索提出這些微小顆粒是受到周?chē)肿拥牟黄胶獾呐鲎捕鴮?dǎo)致的運(yùn)動(dòng)。后來(lái)得到愛(ài)因斯坦的研究的證明。布朗運(yùn)動(dòng)也因此成為分子運(yùn)動(dòng)論和統(tǒng)計(jì)力學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)。
比如，在顯微鏡下觀(guān)察懸浮在水中的藤黃粉、花粉微粒，或在無(wú)風(fēng)情形觀(guān)察空氣中的煙粒、塵埃時(shí)都會(huì)看到這種運(yùn)動(dòng)。溫度越高，運(yùn)動(dòng)越激烈。
“應(yīng)該說(shuō)，布朗運(yùn)動(dòng)通常所指的是一種微觀(guān)世界的現(xiàn)象，需要用顯微鏡等才能看到。那么，宏觀(guān)世界有否更多模式呢？”劉靜團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，毫米級(jí)甚至更大尺寸的液態(tài)金屬馬達(dá)，也存在這種類(lèi)似布朗運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。不同于傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)的是，液態(tài)金屬馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)力來(lái)自?xún)?nèi)部（鋁和水進(jìn)行反應(yīng)產(chǎn)生氫），且是隨機(jī)的，因此也表現(xiàn)出不規(guī)則的曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，劉靜為此稱(chēng)其為自驅(qū)動(dòng)宏觀(guān)布朗運(yùn)動(dòng)。
“值得指出的是，液態(tài)金屬與鋁構(gòu)成的液相合金產(chǎn)氫效率很高，成本低，整個(gè)過(guò)程在常溫下易于實(shí)現(xiàn)，這實(shí)際上提供了一種頗為簡(jiǎn)便快捷的獲取清潔能源氫的方法，實(shí)用價(jià)值很高，此方面正在催生出新的制氫研究方向。”劉靜說(shuō)。
控制，然后利用它
之前的研究揭示了液態(tài)金屬的諸多特性，那么，我們能不能用一些手段控制它的行為呢？
劉靜團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在特殊條件下，可以對(duì)液態(tài)金屬實(shí)現(xiàn)“可控”。
金屬液滴馬達(dá)看上去雖一目了然，但實(shí)際上里面蘊(yùn)藏著豐富的電化學(xué)原理，其表面就帶有電荷。因此，磁場(chǎng)對(duì)于液態(tài)金屬馬達(dá)可能會(huì)產(chǎn)生影響。劉靜團(tuán)隊(duì)正是從這一理念出發(fā)，將一個(gè)永磁體設(shè)置在裝有液態(tài)金屬馬達(dá)的容器底部，從而發(fā)現(xiàn)了有趣的“磁阱效應(yīng)”——對(duì)于直徑在1mm以下的液滴馬達(dá)群，一定強(qiáng)度的磁場(chǎng)就足以將其從隱形的邊界上反彈回。由于洛倫茲力作用，因吞食鋁形成的液滴表面電荷越多，則磁阱效應(yīng)越強(qiáng)。
需要指出的是，如果液態(tài)金屬馬達(dá)的體積過(guò)大，則會(huì)無(wú)視這種效應(yīng)，繼續(xù)往前運(yùn)動(dòng)。這一發(fā)現(xiàn)指出了一條控制液態(tài)金屬馬達(dá)行為的重要途徑。
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，是科學(xué)界與工程界長(zhǎng)久以來(lái)的夢(mèng)想。在生物醫(yī)用、科學(xué)探索乃至國(guó)防安全中，液態(tài)金屬機(jī)器都極具重大理論意義和應(yīng)用前景。
劉靜指出，傳統(tǒng)上，由剛體材料制成的運(yùn)動(dòng)機(jī)器，甚至是自然界中的生命體，通常均不具備自動(dòng)融合或分離的能力?？勺詣?dòng)組裝并能隨意變形的液態(tài)金屬柔性機(jī)器為此打開(kāi)了全新突破口，這對(duì)未來(lái)智能材料、柔性血管機(jī)器人的設(shè)計(jì)，以及流體力學(xué)包括軟物質(zhì)研究會(huì)帶來(lái)重要啟示，相應(yīng)發(fā)現(xiàn)顯著擴(kuò)展了人們對(duì)于復(fù)雜流體及液態(tài)金屬材料的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)，同時(shí)也為金屬液滴（馬達(dá)）的生成、操控、3D打印乃至流體特性的刻畫(huà)提供了基本工具。
“未來(lái)的機(jī)器人，一定是高度靈活、智能、柔性化的。”劉靜認(rèn)為，液態(tài)金屬機(jī)器領(lǐng)域大有可為，可望促成全新機(jī)器人的研制，他為此將實(shí)驗(yàn)室任務(wù)定為SMILE計(jì)劃（取Soft Machine based on Intelligence, Liquid Metal and Electronics縮寫(xiě)之意），以期結(jié)合智能、液態(tài)金屬和電子構(gòu)筑未來(lái)柔性機(jī)器。但他同時(shí)也表示，目前，相應(yīng)機(jī)器的研究還“剛剛開(kāi)始”。
“就像人一樣，必須有細(xì)胞、組織才能構(gòu)成皮膚，還需要血液、骨架、神經(jīng)等等，構(gòu)筑液態(tài)金屬機(jī)器的每一步都需要非常多的積累。當(dāng)然，我們一方面既要扎實(shí)推進(jìn)基礎(chǔ)研究，同時(shí)也會(huì)探索衍生的各種應(yīng)用，通過(guò)彼此交互來(lái)推進(jìn)液態(tài)金屬研究。”劉靜最后表示。
