看過(guò)經(jīng)典科幻電影《終結(jié)者》的人印象最深刻的，恐怕就是由液態(tài)金屬制成的終結(jié)者被子彈打穿后可自動(dòng)修復(fù)，可根據(jù)環(huán)境隨意變形。這帶給人們很多遐想：“液態(tài)金屬機(jī)器人真的可以實(shí)現(xiàn)嗎？”這也是科學(xué)家努力想解答的問(wèn)題。不過(guò)，科學(xué)家的研究并非專(zhuān)注于研發(fā)類(lèi)似“終結(jié)者”的機(jī)器人，而是力圖利用液態(tài)金屬可以像生物體一樣攝入“食物”，通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行“消化代謝”提供能量，可以自主維持自身的運(yùn)動(dòng)等特性，研制實(shí)用化智能馬達(dá)、流體泵送系統(tǒng)、血管機(jī)器人乃至實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的液態(tài)金屬機(jī)器人等，最終使它們走入人們的生活。
2015年3月，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系劉靜教授研究組聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所，在學(xué)術(shù)期刊《先進(jìn)材料》上發(fā)表了題為“仿生型自驅(qū)動(dòng)液態(tài)金屬軟體動(dòng)物”的論文，迅速被《新科學(xué)家》、《自然》雜志“研究亮點(diǎn)”、《科學(xué)》雜志“新聞”等數(shù)十家知名科學(xué)雜志或網(wǎng)站專(zhuān)題報(bào)道，在國(guó)際上引起廣泛反響和熱議。文章第一作者為清華大學(xué)2012級(jí)博士生張潔，通訊作者為劉靜教授。
在這項(xiàng)研究中，劉靜教授研究組于世界上首次發(fā)現(xiàn)了一種異常獨(dú)特的現(xiàn)象和機(jī)制，即液態(tài)金屬可在吞食少量物質(zhì)后以可變形機(jī)器形態(tài)長(zhǎng)時(shí)間高速運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)需外部電力的自主運(yùn)動(dòng)。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)立的柔性機(jī)器邁出了關(guān)鍵的一步。
研究揭示，置于電解液中的鎵基液態(tài)合金可通過(guò)“攝入”鋁作為食物或燃料提供能量，實(shí)現(xiàn)高速、高效的長(zhǎng)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，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)，速度達(dá)5厘米每秒。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；令人驚訝的是，它還可隨沿程槽道的寬窄自行作出變形調(diào)整。應(yīng)該說(shuō)，液態(tài)金屬機(jī)器一系列非同尋常的習(xí)性已相當(dāng)接近一些自然界簡(jiǎn)單的軟體生物，比如：能“吃”食物（燃料），自主運(yùn)動(dòng)，可變形，具備一定代謝功能（化學(xué)反應(yīng)），因此研究者們將其命名為“液態(tài)金屬軟體動(dòng)物”。
試驗(yàn)和理論分析表明，此種自主型液態(tài)金屬機(jī)器的動(dòng)力機(jī)制來(lái)自?xún)煞矫妫阂环矫姘l(fā)生在液態(tài)合金、金屬燃料及電解液間的伽伐尼電池效應(yīng)會(huì)形成內(nèi)生電場(chǎng)，從而誘發(fā)液態(tài)金屬表面的高表面張力發(fā)生不對(duì)稱(chēng)響應(yīng)，繼而對(duì)易于變形的液態(tài)金屬機(jī)器造成強(qiáng)大推力；另一方面，上述電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的氫氣也進(jìn)一步提升了推力。正是這種雙重作用產(chǎn)生了超常的液態(tài)金屬馬達(dá)行為，這種能量轉(zhuǎn)換機(jī)制對(duì)于發(fā)展特殊形態(tài)的能源動(dòng)力系統(tǒng)也具重要啟示意義。目前，實(shí)驗(yàn)室根據(jù)上述原理已能制成不同大小的液態(tài)金屬機(jī)器，尺度從數(shù)十微米到數(shù)厘米，且可在不同電解液環(huán)境如堿性、酸性乃至中性溶液中運(yùn)動(dòng)。
此次發(fā)布的劉靜教授研究組最新成果，是該研究組繼首次發(fā)現(xiàn)“電控可變形 液態(tài)金屬基本現(xiàn)象”之后的又一突破性發(fā)現(xiàn)。成果一經(jīng)在線發(fā)表，短時(shí)間內(nèi)即引起世界范圍內(nèi)眾多科學(xué)雜志、專(zhuān)業(yè)網(wǎng)站和新聞媒體的高度重視。多家科學(xué)媒體對(duì)該成果進(jìn)行報(bào)道，并給予了高度評(píng)價(jià)，認(rèn)為這使得“液態(tài)金屬機(jī)器人的研發(fā)更接近現(xiàn)實(shí)”。劉靜教授研究組的這一成果引申出了全新的可變形機(jī)器概念，將顯著提速柔性智能機(jī)器的研制進(jìn)程。關(guān)于液態(tài)金屬自驅(qū)動(dòng)效應(yīng)和相應(yīng)機(jī)器形態(tài)的發(fā)現(xiàn)，為今后發(fā)展高級(jí)的柔性智能機(jī)器人技術(shù)開(kāi)辟了全新途徑。
