液態(tài)金屬機器：發(fā)現(xiàn)它，控制它，應用它
來源：中國科學報 2015-9-28 彭科峰
今年夏季，全新上陣的好萊塢電影《終結者：創(chuàng)世紀》在全球范圍內火熱上映。《終結者》系列電影上映之初，人們便對好萊塢導演的想象力大加贊服——施瓦辛格飾演的機器人，掏出霰彈槍朝液態(tài)機器人T-1000射擊，身體被打穿了數(shù)個大窟窿的液態(tài)機器人，卻能恢復原形“滿血復活”。
那么，這樣的變形機器人真的能夠出現(xiàn)在人類的生活中嗎？
由劉靜教授帶領的中科院理化所、清華大學聯(lián)合小組就有關液態(tài)金屬變形機器的系列突破性發(fā)現(xiàn)證明，也許有一天，高度超過數(shù)米、能自行分解又能相互組合的變形機器人能夠真的問世。
在前期于世界上首度研發(fā)世界首個自驅動可變形液態(tài)金屬機器后，至今年9月份，劉靜團隊在多家國際知名學術期刊上再發(fā)6篇相關論文，這項研究正在穩(wěn)步推進中。
從首次發(fā)現(xiàn)自驅動的液態(tài)金屬機器，到再度發(fā)現(xiàn)系列獨特的液態(tài)金屬基礎效應、科學現(xiàn)象與可變形機器運動形態(tài)，劉靜團隊正在為新興的液態(tài)金屬柔性智能機器的研制和應用進一步打下理論與技術基礎。
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；既是導體，也可以轉換成其他性質材料。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，即便人體內極為脆弱的神經(jīng)斷了，未來科學家也可以應用液態(tài)金屬把斷了的神經(jīng)連起來。可以說，液態(tài)金屬孕育著許多前瞻性、前沿性的應用。
“科學研究存在不確定性，但又有必然性。堅持不懈，就會在合適的時機實現(xiàn)跨越，科學青睞有準備的頭腦說的就是這個道理。”談起多年來實驗室在液態(tài)金屬領域取得的系列發(fā)現(xiàn)，劉靜不無感慨。
早在1999年，時年30歲的劉靜就被中科院理化所作為“百人計劃”引進所里，此后，他就開始了相關領域的研究。
“任何科研成果的取得，都不會是一蹴而就的，但都包含一定邏輯規(guī)律在內，基礎研究尤其如此。”劉靜坦言，早在本世紀初，他們就一直潛心于液態(tài)金屬的探索。盡管在很長的時間內，這一領域在國際上幾乎完全是冷門，“液態(tài)金屬的確被世人所嚴重忽視了，”但劉靜始終認為，液態(tài)金屬擁有廣闊的應用前景，也蘊藏著豐富的科學。最終，科學之神慷慨地賜予了回報，給劉靜及其小組帶來了意外之喜——2013年秋，世界首臺電控的可變形液態(tài)金屬機器被他們首次發(fā)現(xiàn)。
在一次偶然的試驗中，劉靜小組發(fā)現(xiàn)浸沒于水中的鎵基液態(tài)金屬對象，可以在極低電壓作用下呈現(xiàn)出大尺度變形、自旋、定向運動乃至在周圍流體中誘發(fā)出渦街等現(xiàn)象。較為獨特的是，一塊很大的金屬液膜可在數(shù)秒內即收縮為單顆金屬液球，變形過程十分快速，而表面積改變幅度高達上千倍。此外，在外電場作用下，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)表在國外權威期刊上，引發(fā)廣泛關注。今年3月，劉靜再次彰顯了中國科學家的原創(chuàng)實力——他和他的團隊發(fā)表了《仿生型自驅動液態(tài)金屬軟體動物》的論文。隨后，論文迅速被數(shù)十個國際科學雜志或專業(yè)網(wǎng)站報道，引起較大的熱議和反響。
這種機器完全不依靠外界電場就能實現(xiàn)自由運動，可以說比之前成果實現(xiàn)了一大跨越。
原來，依靠進食鋁，這種液態(tài)金屬球就可以實現(xiàn)自由運動。劉靜團隊經(jīng)過后續(xù)的大量試驗發(fā)現(xiàn)，一小片鋁即可驅動直徑約5毫米的液態(tài)金屬球實現(xiàn)長達1個多小時的持續(xù)運動，速度高達每秒5厘米。這種柔性機器既可在自由空間運動，又能于各種結構槽道中蜿蜒前行。
科研人員認為，這種液態(tài)金屬機器的習性已相當接近自然界一些簡單的軟體生物（比如草履蟲），因為它能“吃”燃料，自身幾乎不消耗，可以自主運動，還能變形，具備一定的化學反應，因此將其命名為“液態(tài)金屬軟體動物”。
這種液態(tài)金屬機器完全擺脫了龐雜的外部電力系統(tǒng)，從而向研制自主獨立的柔性智能機器邁出了關鍵的一步。
近來，在前面取得的重大發(fā)現(xiàn)基礎上，劉靜團隊再度取得系列突破。
逐步揭示原理
“光發(fā)現(xiàn)液態(tài)金屬的自驅動及相關現(xiàn)象還不夠，要實現(xiàn)應用，必須對它作進一步研究，比如，如何控制液態(tài)金屬機器的行為。”劉靜說，在前期基礎上，實驗室繼續(xù)對液態(tài)金屬機器進行了全方位的實驗，首次定義并證實了一種嶄新的機器形態(tài)——過渡態(tài)機器。
“我們已經(jīng)知道，液態(tài)金屬球能吃鋁，那么，若將其收集起來注射到溶液中的話，會出現(xiàn)什么現(xiàn)象呢？”結果令人吃驚，瞬間產(chǎn)生了大量四處奔跑的液態(tài)金屬馬達群，如同中國古典小說《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)金屬馬達放入溶液中，發(fā)現(xiàn)這些液滴機器會表現(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器架構間發(fā)生轉換。
“在溶液中，大大小小的液體馬達可以形成多種排列組合，分頭或協(xié)同行動，最后還能歸為一個整體。”而這種狀態(tài)并不固定唯一，隨時可以變換的機器，劉靜將其命名為過渡態(tài)機器。
此前，劉靜小組已經(jīng)設計出無須外界電力的液態(tài)金屬泵，通過將其限定于閥座內，可達到自行旋轉并泵送流體的目的，據(jù)此可快速制造出大量微泵，滿足諸如藥液、陣列式微流體、芯片散熱器中流體的輸運等。而過渡態(tài)機器的發(fā)現(xiàn)，則為研發(fā)可自我組裝和分身型軟體機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)金屬馬達的運行速度非常快，這相比以往研究的微納馬達來說更加便捷。”
劉靜的另外一個研究成果，則與布朗運動有關。
1827年，蘇格蘭植物學家羅伯特·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)則的曲線運行，稱為布朗運動。人們長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圍分子的不平衡的碰撞而導致的運動。后來得到愛因斯坦的研究的證明。布朗運動也因此成為分子運動論和統(tǒng)計力學發(fā)展的基礎。
比如，在顯微鏡下觀察懸浮在水中的藤黃粉、花粉微粒，或在無風情形觀察空氣中的煙粒、塵埃時都會看到這種運動。溫度越高，運動越激烈。
“應該說，布朗運動通常所指的是一種微觀世界的現(xiàn)象，需要用顯微鏡等才能看到。那么，宏觀世界有否更多模式呢？”劉靜團隊研究發(fā)現(xiàn)，毫米級甚至更大尺寸的液態(tài)金屬馬達，也存在這種類似布朗運動的現(xiàn)象。不同于傳統(tǒng)認識的是，液態(tài)金屬馬達的驅動力來自內部（鋁和水進行反應產(chǎn)生氫），且是隨機的，因此也表現(xiàn)出不規(guī)則的曲線運動，劉靜為此稱其為自驅動宏觀布朗運動。
“值得指出的是，液態(tài)金屬與鋁構成的液相合金產(chǎn)氫效率很高，成本低，整個過程在常溫下易于實現(xiàn)，這實際上提供了一種頗為簡便快捷的獲取清潔能源氫的方法，實用價值很高，此方面正在催生出新的制氫研究方向。”劉靜說。
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？
劉靜團隊發(fā)現(xiàn)，在特殊條件下，可以對液態(tài)金屬實現(xiàn)“可控”。
金屬液滴馬達看上去雖一目了然，但實際上里面蘊藏著豐富的電化學原理，其表面就帶有電荷。因此，磁場對于液態(tài)金屬馬達可能會產(chǎn)生影響。劉靜團隊正是從這一理念出發(fā)，將一個永磁體設置在裝有液態(tài)金屬馬達的容器底部，從而發(fā)現(xiàn)了有趣的“磁阱效應”——對于直徑在1mm以下的液滴馬達群，一定強度的磁場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，則磁阱效應越強。
需要指出的是，如果液態(tài)金屬馬達的體積過大，則會無視這種效應，繼續(xù)往前運動。這一發(fā)現(xiàn)指出了一條控制液態(tài)金屬馬達行為的重要途徑。
在自然界，實現(xiàn)能在不同形態(tài)之間自由轉換的可變形柔性機器，是科學界與工程界長久以來的夢想。在生物醫(yī)用、科學探索乃至國防安全中，液態(tài)金屬機器都極具重大理論意義和應用前景。
劉靜指出，傳統(tǒng)上，由剛體材料制成的運動機器，甚至是自然界中的生命體，通常均不具備自動融合或分離的能力。可自動組裝并能隨意變形的液態(tài)金屬柔性機器為此打開了全新突破口，這對未來智能材料、柔性血管機器人的設計，以及流體力學包括軟物質研究會帶來重要啟示，相應發(fā)現(xiàn)顯著擴展了人們對于復雜流體及液態(tài)金屬材料的傳統(tǒng)認識，同時也為金屬液滴（馬達）的生成、操控、3D打印乃至流體特性的刻畫提供了基本工具。
“未來的機器人，一定是高度靈活、智能、柔性化的。”劉靜認為，液態(tài)金屬機器領域大有可為，可望促成全新機器人的研制，他為此將實驗室任務定為SMILE計劃（取Soft Machine based on Intelligence, Liquid Metal and Electronics縮寫之意），以期結合智能、液態(tài)金屬和電子構筑未來柔性機器。但他同時也表示，目前，相應機器的研究還“剛剛開始”。
“就像人一樣，必須有細胞、組織才能構成皮膚，還需要血液、骨架、神經(jīng)等等，構筑液態(tài)金屬機器的每一步都需要非常多的積累。當然，我們一方面既要扎實推進基礎研究，同時也會探索衍生的各種應用，通過彼此交互來推進液態(tài)金屬研究。”劉靜最后表示。
