劉靜小組研發(fā)出世界首個(gè)自主運(yùn)動(dòng)的可變形液態(tài)金屬機(jī)器
研究成果被國(guó)際學(xué)術(shù)媒體廣泛關(guān)注
清華新聞網(wǎng)3月24日電 近日，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系劉靜教授小組聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所，在《先進(jìn)材料》(Advanced Materials)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”(Self-Fueled Biomimetic Liquid Metal Mollusk, 2015)的論文，迅速被New Scientist、Nature研究亮點(diǎn)、Science新聞等數(shù)十個(gè)知名科學(xué)雜志或?qū)I(yè)網(wǎng)站專題報(bào)道，在國(guó)際上引起廣泛反響和熱議。
文章被選為《先進(jìn)材料》內(nèi)封面故事。
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。文章被選為期刊內(nèi)前封面故事。Altmetric計(jì)量學(xué)指數(shù)顯示自3月3日在線發(fā)表到3月19日時(shí)已達(dá)71.0，遠(yuǎn)高于期刊平均值6.7，在同時(shí)期論文中則排名第一。
此項(xiàng)研究于世界上首次發(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)，從而為研制實(shí)用化智能馬達(dá)、血管機(jī)器人、流體泵送系統(tǒng)、柔性執(zhí)行器乃至更為復(fù)雜的液態(tài)金屬機(jī)器人奠定了理論和技術(shù)基礎(chǔ)。這是該小組繼首次發(fā)現(xiàn)"電控可變形液態(tài)金屬基本現(xiàn)象"(Sheng et al., Advanced Materials, 2014, 封面文章; Zhang et al., Scientific Reports, 2014 )之后的又一突破性發(fā)現(xiàn)。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。
可變形液態(tài)金屬機(jī)器在內(nèi)含電解液的容器或各種槽道中的自主運(yùn)動(dòng)情形。
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)5cm/s。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)），因此作者們將其命名為“液態(tài)金屬軟體動(dòng)物”。這一人工機(jī)器的發(fā)明同時(shí)也引申出“如何定義生命”的問(wèn)題。
自主型液態(tài)金屬機(jī)器所展示的人工軟體動(dòng)物、實(shí)物馬達(dá)及其驅(qū)動(dòng)流體情形。
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)自兩方面：一方面發(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)。
Nature研究亮點(diǎn)報(bào)道，左下為液態(tài)金屬馬達(dá)有關(guān)闡述。
刊載上述首創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)的文章在線發(fā)表后，短時(shí)間內(nèi)即引起世界范圍內(nèi)眾多科學(xué)雜志、專業(yè)網(wǎng)站和新聞媒體的高度重視。New Scientist在第一時(shí)間以文章和精心制作的視頻進(jìn)行了題為“液態(tài)金屬朝可變形機(jī)器人邁進(jìn)一步的”報(bào)道；Nature雜志在其“研究亮點(diǎn)”欄目以“液態(tài)金屬馬達(dá)靠自身運(yùn)動(dòng)”為題進(jìn)行了報(bào)道；Science網(wǎng)站發(fā)布題為“可變形金屬馬達(dá)擁有一系列用途”的觀察文章和視頻；路透社記者則專程到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)地拍攝和采訪。更多網(wǎng)站則紛紛展望了這一技術(shù)在機(jī)器人、藥物遞送、血管和環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面的應(yīng)用前景，指出“液態(tài)金屬機(jī)器人幾乎已在這兒，并且他們由中國(guó)制造”(Space Daily網(wǎng)站)。
自驅(qū)動(dòng)液態(tài)金屬機(jī)器的問(wèn)世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。劉靜小組關(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)開辟了全新途徑。
論文、在線材料及視頻鏈接:http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201405438/full
New Scientist報(bào)道： http://www.newscientist.com/article/dn27127-liquid-metal-brings-shapeshifting-robot-a-step-closer.html#.VQP0FHkxhmM
Nature雜志“研究亮點(diǎn)”欄目報(bào)道：http://www.nature.com/nature/journal/v519/n7543/full/519264d.html
Science網(wǎng)站報(bào)道：http://news.sciencemag.org/sifter/2015/03/watch-shape-shifting-metal-motor-has-a-variety-of-uses
供稿：醫(yī)學(xué)院 學(xué)生編輯：柔 香
