看過經(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)金屬機器人真的可以實現(xiàn)嗎？”這也是科學家努力想解答的問題。不過，科學家的研究并非專注于研發(fā)類似“終結(jié)者”的機器人，而是力圖利用液態(tài)金屬可以像生物體一樣攝入“食物”，通過電化學反應(yīng)進行“消化代謝”提供能量，可以自主維持自身的運動等特性，研制實用化智能馬達、流體泵送系統(tǒng)、血管機器人乃至實現(xiàn)更為復(fù)雜的液態(tài)金屬機器人等，最終使它們走入人們的生活。
2015年3月，清華大學醫(yī)學院生物醫(yī)學工程系劉靜教授研究組聯(lián)合中國科學院理化技術(shù)研究所，在學術(shù)期刊《先進材料》上發(fā)表了題為“仿生型自驅(qū)動液態(tài)金屬軟體動物”的論文，迅速被《新科學家》、《自然》雜志“研究亮點”、《科學》雜志“新聞”等數(shù)十家知名科學雜志或網(wǎng)站專題報道，在國際上引起廣泛反響和熱議。文章第一作者為清華大學2012級博士生張潔，通訊作者為劉靜教授。
在這項研究中，劉靜教授研究組于世界上首次發(fā)現(xiàn)了一種異常獨特的現(xiàn)象和機制，即液態(tài)金屬可在吞食少量物質(zhì)后以可變形機器形態(tài)長時間高速運動，實現(xiàn)了無需外部電力的自主運動。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機器邁出了關(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“攝入”鋁作為食物或燃料提供能量，實現(xiàn)高速、高效的長時運轉(zhuǎn)，一小片鋁即可驅(qū)動直徑約5毫米的液態(tài)金屬球?qū)崿F(xiàn)長達1個多小時的持續(xù)運動，速度達5厘米每秒。這種柔性機器既可在自由空間運動，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，液態(tài)金屬機器一系列非同尋常的習性已相當接近一些自然界簡單的軟體生物，比如：能“吃”食物（燃料），自主運動，可變形，具備一定代謝功能（化學反應(yīng)），因此研究者們將其命名為“液態(tài)金屬軟體動物”。
試驗和理論分析表明，此種自主型液態(tài)金屬機器的動力機制來自兩方面：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)會形成內(nèi)生電場，從而誘發(fā)液態(tài)金屬表面的高表面張力發(fā)生不對稱響應(yīng)，繼而對易于變形的液態(tài)金屬機器造成強大推力；另一方面，上述電化學反應(yīng)過程中產(chǎn)生的氫氣也進一步提升了推力。正是這種雙重作用產(chǎn)生了超常的液態(tài)金屬馬達行為，這種能量轉(zhuǎn)換機制對于發(fā)展特殊形態(tài)的能源動力系統(tǒng)也具重要啟示意義。目前，實驗室根據(jù)上述原理已能制成不同大小的液態(tài)金屬機器，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動。
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，短時間內(nèi)即引起世界范圍內(nèi)眾多科學雜志、專業(yè)網(wǎng)站和新聞媒體的高度重視。多家科學媒體對該成果進行報道，并給予了高度評價，認為這使得“液態(tài)金屬機器人的研發(fā)更接近現(xiàn)實”。劉靜教授研究組的這一成果引申出了全新的可變形機器概念，將顯著提速柔性智能機器的研制進程。關(guān)于液態(tài)金屬自驅(qū)動效應(yīng)和相應(yīng)機器形態(tài)的發(fā)現(xiàn)，為今后發(fā)展高級的柔性智能機器人技術(shù)開辟了全新途徑。
