劉靜小組發(fā)現(xiàn)系列液態(tài)金屬基礎現(xiàn)象與機器運動變形機制
清華新聞網(wǎng)9月9日電 近期，在之前取得的關鍵突破基礎上，由劉靜教授帶領的清華大學與中國科學院理化技術研究所聯(lián)合小組，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)，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。
在《Small（微小）》上在線發(fā)表的題為“基于自驅動液態(tài)金屬馬達群碰撞與融合行為的過渡態(tài)機器”（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了一種嶄新的機器形態(tài)-過渡態(tài)機器，論文被選為期刊內封面故事。文章第一作者為醫(yī)學院博士后盛磊，通訊作者為劉靜教授。
此前，團隊曾首次發(fā)現(xiàn) “仿生型自驅動液態(tài)金屬軟體動物”（Zhang et al., Advanced Materials（先進材料）, 2015, 內封面文章），及無槽道式制備金屬微滴的原理（Yu et al., Advanced Engineering Materials（先進工程材料）, 2014, 封面文章），結合上述雙重機制，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，處于NaOH溶液環(huán)境中的液滴機器會表現(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（圖1），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。這一發(fā)現(xiàn)為研制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、藥物載送等提供了重要啟示。
圖1 《Small》內封面故事及液態(tài)金屬機器群碰撞排列與過渡形態(tài)。
而在《Applied Physics Letters（應用物理快報）》論文“阻止自驅動微小液態(tài)金屬馬達運動的磁阱效應”（Magnetic trap effect to restrict motion of self-powered tiny liquid metal motors, 2015-08-17）中，作者們發(fā)現(xiàn)了一類有趣的磁阱效應（圖2）：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Lorentz力作用，液滴表面電荷越多，則磁阱效應越強。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。文章共同第一作者為理化所碩士生譚思聰、醫(yī)學院碩士生桂晗，通訊作者為劉靜教授。
圖2 磁場作用下鋁質驅動液態(tài)金屬馬達的運動機制與磁陷阱效應。
在發(fā)表于《Proceedings of the Royal Society A（英國皇家學會會刊A）》的題為“溶液內液態(tài)金屬球形或池形物體的電磁旋轉運動”（Electromagnetic rotation of liquid metal sphere or pool object inside solution, 2015-04-8）論文中，作者們發(fā)現(xiàn)，耦合外加磁場和電場可實現(xiàn)溶液中單顆金屬液滴的離心旋轉操控，相應研究被選為期刊封面故事（圖3）。這種液態(tài)金屬電動機在發(fā)展柔性旋轉機器、光電芯片冷卻、液態(tài)金屬泵、材料配制設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和電場耦合驅動情形。
圖4 鋁質驅動液態(tài)金屬馬達產生的氫氣流軌跡與驅動顆粒運動情形。
此外，在期刊《Science Bulletin（科學通報）》發(fā)表的系列研究中，作者們還先后揭示出了液態(tài)金屬馬達的自驅動宏觀布朗運動現(xiàn)象及其固-液界面接觸產氫機制（2015-07，圖4），以及在軌運行液態(tài)金屬車輛間的協(xié)同運動與無縫連接行為（2015-05，封面文章，圖5），包括金屬液滴接觸融合過程中的動態(tài)變形彈簧與彈射現(xiàn)象等（2015-03，圖6），揭開了其中的控制因素如表面張力波、電雙層效應等。文章第一作者分別有來自醫(yī)學院的博士生張潔、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行液態(tài)金屬車輛的碰撞與融合情形。
圖6 被作者命名為液態(tài)金屬彈簧的金屬液滴震蕩融合與彈射現(xiàn)象。
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，這對未來的智能材料、柔性血管機器人設計，以及流體力學包括軟物質研究會起到重要啟示，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。
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
3. http://dx.doi.org/10.1098/rspa.2015.0177
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：
1. http://v.youku.com/v_show/id_XMTMyNDA0NDI5Ng==.html
2. http://dx.doi.org/10.1063/1.4928713.1
3. http://v.youku.com/v_show/id_XMTMzMDMzODIwOA==.html?from=y1.7-2
4. http://www.edge-cdn.net/video_875217?playerskin=37016
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)學院 編輯：襄樺
