清华研发出世界首个自主运动的可变性液态金属机器

      看过经典科幻电影《终结者》的人印象最深刻的，恐怕就是由液态金属制成的终结者被子弹打穿后可自动修复，可根据环境随意变形。这带给人们很多遐想：“液态金属机器人真的可以实现吗？”这也是科学家努力想解答的问题。不过，科学家的研究并非专注于研发类似“终结者”的机器人，而是力图利用液态金属可以像生物体一样摄入“食物”，通过电化学反应进行“消化代谢”提供能量，可以自主维持自身的运动等特性，研制实用化智能马达、流体泵送系统、血管机器人乃至实现更为复杂的液态金属机器人等，最终使它们走入人们的生活。

      2015年3月，清华大学医学院生物医学工程系刘静教授研究组联合中国科学院理化技术研究所，在学术期刊《先进材料》上发表了题为“仿生型自驱动液态金属软体动物”的论文，迅速被《新科学家》、《自然》杂志“研究亮点”、《科学》杂志“新闻”等数十家知名科学杂志或网站专题报道，在国际上引起广泛反响和热议。文章第一作者为清华大学2012级博士生张洁，通讯作者为刘静教授。

      在这项研究中，刘静教授研究组于世界上首次发现了一种异常独特的现象和机制，即液态金属可在吞食少量物质后以可变形机器形态长时间高速运动，实现了无需外部电力的自主运动。这种液态金属机器完全摆脱了庞杂的外部电力系统，从而向研制自主独立的柔性机器迈出了关键的一步。

      研究揭示，置于电解液中的镓基液态合金可通过“摄入”铝作为食物或燃料提供能量，实现高速、高效的长时运转，一小片铝即可驱动直径约5毫米的液态金属球实现长达1个多小时的持续运动，速度达5厘米每秒。这种柔性机器既可在自由空间运动，又能于各种结构槽道中蜿蜒前行；令人惊讶的是，它还可随沿程槽道的宽窄自行作出变形调整。应该说，液态金属机器一系列非同寻常的习性已相当接近一些自然界简单的软体生物，比如：能“吃”食物（燃料），自主运动，可变形，具备一定代谢功能（化学反应），因此研究者们将其命名为“液态金属软体动物”。

      试验和理论分析表明，此种自主型液态金属机器的动力机制来自两方面：一方面发生在液态合金、金属燃料及电解液间的伽伐尼电池效应会形成内生电场，从而诱发液态金属表面的高表面张力发生不对称响应，继而对易于变形的液态金属机器造成强大推力；另一方面，上述电化学反应过程中产生的氢气也进一步提升了推力。正是这种双重作用产生了超常的液态金属马达行为，这种能量转换机制对于发展特殊形态的能源动力系统也具重要启示意义。目前，实验室根据上述原理已能制成不同大小的液态金属机器，尺度从数十微米到数厘米，且可在不同电解液环境如碱性、酸性乃至中性溶液中运动。

      此次发布的刘静教授研究组最新成果，是该研究组继首次发现“电控可变形  液态金属基本现象”之后的又一突破性发现。成果一经在线发表，短时间内即引起世界范围内众多科学杂志、专业网站和新闻媒体的高度重视。多家科学媒体对该成果进行报道，并给予了高度评价，认为这使得“液态金属机器人的研发更接近现实”。刘静教授研究组的这一成果引申出了全新的可变形机器概念，将显著提速柔性智能机器的研制进程。关于液态金属自驱动效应和相应机器形态的发现，为今后发展高级的柔性智能机器人技术开辟了全新途径。（hcq）