劉靜小組發(fā)現(xiàn)系列液態(tài)金屬基礎(chǔ)現(xiàn)象與機(jī)器運(yùn)動(dòng)變形機(jī)制
清華新聞網(wǎng)9月9日電 近期，在之前取得的關(guān)鍵突破基礎(chǔ)上，由劉靜教授帶領(lǐng)的清華大學(xué)與中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所聯(lián)合小組，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)，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)。
在《Small（微?。飞显诰€(xiàn)發(fā)表的題為“基于自驅(qū)動(dòng)液態(tài)金屬馬達(dá)群碰撞與融合行為的過(guò)渡態(tài)機(jī)器”（Transient state machine enabled from the colliding and coalescence of a swarm of autonomously running liquid metal motors, 2015-08-17）論文中，研究小組首次定義并證實(shí)了一種嶄新的機(jī)器形態(tài)-過(guò)渡態(tài)機(jī)器，論文被選為期刊內(nèi)封面故事。文章第一作者為醫(yī)學(xué)院博士后盛磊，通訊作者為劉靜教授。
此前，團(tuán)隊(duì)曾首次發(fā)現(xiàn) “仿生型自驅(qū)動(dòng)液態(tài)金屬軟體動(dòng)物”（Zhang et al., Advanced Materials（先進(jìn)材料）, 2015, 內(nèi)封面文章），及無(wú)槽道式制備金屬微滴的原理（Yu et al., Advanced Engineering Materials（先進(jìn)工程材料）, 2014, 封面文章），結(jié)合上述雙重機(jī)制，作者們偶然發(fā)現(xiàn)采用注射方式可瞬間制造出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，處于NaOH溶液環(huán)境中的液滴機(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（圖1），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。這一發(fā)現(xiàn)為研制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、藥物載送等提供了重要啟示。
圖1 《Small》內(nèi)封面故事及液態(tài)金屬機(jī)器群碰撞排列與過(guò)渡形態(tài)。
而在《Applied Physics Letters（應(yīng)用物理快報(bào)）》論文“阻止自驅(qū)動(dòng)微小液態(tài)金屬馬達(dá)運(yùn)動(dòng)的磁阱效應(yīng)”（Magnetic trap effect to restrict motion of self-powered tiny liquid metal motors, 2015-08-17）中，作者們發(fā)現(xiàn)了一類(lèi)有趣的磁阱效應(yīng)（圖2）：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Lorentz力作用，液滴表面電荷越多，則磁阱效應(yīng)越強(qiáng)。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。文章共同第一作者為理化所碩士生譚思聰、醫(yī)學(xué)院碩士生桂晗，通訊作者為劉靜教授。
圖2 磁場(chǎng)作用下鋁質(zhì)驅(qū)動(dòng)液態(tài)金屬馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)機(jī)制與磁陷阱效應(yīng)。
在發(fā)表于《Proceedings of the Royal Society A（英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)刊A）》的題為“溶液內(nèi)液態(tài)金屬球形或池形物體的電磁旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)”（Electromagnetic rotation of liquid metal sphere or pool object inside solution, 2015-04-8）論文中，作者們發(fā)現(xiàn)，耦合外加磁場(chǎng)和電場(chǎng)可實(shí)現(xiàn)溶液中單顆金屬液滴的離心旋轉(zhuǎn)操控，相應(yīng)研究被選為期刊封面故事（圖3）。這種液態(tài)金屬電動(dòng)機(jī)在發(fā)展柔性旋轉(zhuǎn)機(jī)器、光電芯片冷卻、液態(tài)金屬泵、材料配制設(shè)備等方面有重要用途。文章第一作者為理化所博士后王磊，通訊作者為劉靜教授。
圖3 期刊封面故事及液態(tài)金屬與溶液受外磁場(chǎng)和電場(chǎng)耦合驅(qū)動(dòng)情形。
圖4 鋁質(zhì)驅(qū)動(dòng)液態(tài)金屬馬達(dá)產(chǎn)生的氫氣流軌跡與驅(qū)動(dòng)顆粒運(yùn)動(dòng)情形。
此外，在期刊《Science Bulletin（科學(xué)通報(bào)）》發(fā)表的系列研究中，作者們還先后揭示出了液態(tài)金屬馬達(dá)的自驅(qū)動(dòng)宏觀(guān)布朗運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象及其固-液界面接觸產(chǎn)氫機(jī)制（2015-07，圖4），以及在軌運(yùn)行液態(tài)金屬車(chē)輛間的協(xié)同運(yùn)動(dòng)與無(wú)縫連接行為（2015-05，封面文章，圖5），包括金屬液滴接觸融合過(guò)程中的動(dòng)態(tài)變形彈簧與彈射現(xiàn)象等（2015-03，圖6），揭開(kāi)了其中的控制因素如表面張力波、電雙層效應(yīng)等。文章第一作者分別有來(lái)自醫(yī)學(xué)院的博士生張潔、姚又友和理化所博士生袁彬，通訊作者為劉靜教授。
圖5 期刊封面故事及在軌運(yùn)行液態(tài)金屬車(chē)輛的碰撞與融合情形。
圖6 被作者命名為液態(tài)金屬?gòu)椈傻慕饘僖旱握鹗幦诤吓c彈射現(xiàn)象。
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)的智能材料、柔性血管機(jī)器人設(shè)計(jì)，以及流體力學(xué)包括軟物質(zhì)研究會(huì)起到重要啟示，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。
論文鏈接：
1. http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.201501364/full
2. http://scitation.aip.org/content/aip/journal/apl/107/7/10.1063/1.4928713
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4. http://link.springer.com/article/10.1007%2Fs11434-015-0836-6
5. http://link.springer.com/article/10.1007%2Fs11434-015-0786-z
6. http://link.springer.com/article/10.1007/s11434-015-0751-x/fulltext.html
視頻鏈接：
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2. http://dx.doi.org/10.1063/1.4928713.1
3. http://v.youku.com/v_show/id_XMTMzMDMzODIwOA==.html?from=y1.7-2
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5. http://www.eurekalert.org/pub_releases/2015-04/scp-aca042715.php
6. http://v.youku.com/v_show/id_XMTMyOTk0NDc4NA==.html
供稿：醫(yī)學(xué)院 編輯：襄樺
