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
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
中國(guó)科學(xué)家造出了世界首臺(tái)液態(tài)金屬機(jī)器，這一成就被外媒形容為制造出“終結(jié)者”。
據(jù)中科院理化所網(wǎng)站，3月3日，由劉靜研究員帶領(lǐng)的中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所、清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院聯(lián)合研究小組，在Advanced Materials上發(fā)表了題為“Self-Fueled Biomimetic Liquid Metal Mollusk”(2015)的研究論文，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)際上引起重要反響和熱議。
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。文章被選為期刊內(nèi)前封面故事，Altmetric計(jì)量學(xué)數(shù)據(jù)顯示其指數(shù)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No.1。
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 mm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)，速度高達(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，遇到拐彎時(shí)則有所停頓，好似略作思索后繼續(xù)行進(jìn)，整個(gè)過(guò)程仿佛科幻電影中的終結(jié)者機(jī)器人現(xiàn)身一般。
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。
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)。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：一是發(fā)生在液態(tài)合金、金屬燃料及電解液間的Galvanic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；與此同時(shí)，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。
在迄今所發(fā)展的各種柔性機(jī)器中，自主型液態(tài)金屬機(jī)器所表現(xiàn)出的變形能力、運(yùn)轉(zhuǎn)速度與壽命水平等均較為罕見(jiàn)，這為其平添了諸多重要用途。作為具體應(yīng)用器件之一，論文還特別展示了首個(gè)無(wú)需外界電力的液態(tài)金屬泵，通過(guò)將其限定于閥座內(nèi)，可達(dá)到自行旋轉(zhuǎn)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、陣列式微流體的輸運(yùn)等，成本極低；若將此類柔型泵用作降溫，還可實(shí)現(xiàn)高度集成化的微芯片冷卻器；進(jìn)一步的應(yīng)用可發(fā)展成血管或腔道機(jī)器人甚至是可自我組裝的液態(tài)金屬智能機(jī)器等。
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)行了報(bào)道：“液態(tài)金屬朝可變形機(jī)器人邁進(jìn)一步(Liquid metal brings shape-shifting robot a step closer)”指出其“將成為今后電影中人工生命的種子(Such liquid robots will be a seed of artificial life seen in some movies)”；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)(Liquid metal motor moves by itself)”為題進(jìn)行了報(bào)道；Science網(wǎng)站發(fā)布觀察文章和視頻：“可變形金屬馬達(dá)擁有一系列用途(Shape-shifting metal motor has a variety of uses)”；路透社也對(duì)此進(jìn)行了專門報(bào)道。
眾多報(bào)道此項(xiàng)工作的科學(xué)雜志或?qū)I(yè)網(wǎng)站還有，物理學(xué)家組織網(wǎng)站：“可在液體中自行驅(qū)動(dòng)的可變形液態(tài)金屬(Shape shifting liquid metal able to propel itself through liquids)”；化學(xué)和工程新聞C&EN：“旋轉(zhuǎn)的液態(tài)金屬馬達(dá)(Rolling Out Liquid-Metal Motors)”；Uncover California：“世界首個(gè)液態(tài)金屬機(jī)器人(World's First Liquid Metal Robot)”；Siliconrepublic：“首個(gè)終結(jié)者型液態(tài)馬達(dá)問(wèn)世，具無(wú)限潛力(First Terminator-1000-like liquid motor developed with unlimited potential)”；鏡報(bào)mirror：“真實(shí)的終結(jié)者1000液態(tài)金屬馬達(dá)(real-life-t-1000-liquid-metal-motor)”；Popular Science：“終結(jié)者智能液態(tài)金屬或?yàn)樾乱惠嗆妭涓?jìng)賽的第一步(Terminator-Like ‘Smart Liquid Metal'May Be The First Step In A New Arms Race)”；Space Daily等：“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(Liquid Metal Robots Are Almost Here and They Are Made in China)”；Popular Mechanics：“終結(jié)者1000機(jī)器人或許就由這種自主行走的液態(tài)金屬制成(The T-1000 Is Probably Made of This Liquid Metal That Moves Itself)”；更多網(wǎng)站則紛紛展望了這一開(kāi)創(chuàng)性技術(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，認(rèn)為“機(jī)器人工業(yè)正邁向不可思議的突破(The Robotics Industry Is on the Verge of an Incredible Breakthrough)”，“顯然是巨大的第一步(certainly a huge first step)”，“這是許多潛在商業(yè)用途的源泉，對(duì)于世界各國(guó)的工業(yè)界和政府會(huì)有巨大的興趣(That’s where the potential commercial uses come in, which should be of huge interest to industry and governments around the world)”。
大家都看過(guò)《終結(jié)者2》，里頭的大反派T-1000 液態(tài)金屬機(jī)器人那幾乎不死的能力讓人不寒而栗
據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，文章發(fā)表兩周左右即已有數(shù)百個(gè)科學(xué)或?qū)I(yè)網(wǎng)站對(duì)此進(jìn)行了評(píng)介和轉(zhuǎn)載，說(shuō)明了本項(xiàng)研究工作的影響。
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。當(dāng)前，全球圍繞先進(jìn)機(jī)器人的研發(fā)活動(dòng)正處于如火如荼的階段，若能充分發(fā)揮液態(tài)金屬所展示出的各種巨大潛力，并結(jié)合相關(guān)技術(shù)，將引發(fā)諸多超越傳統(tǒng)的機(jī)器變革。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(kāi)辟了全新途徑，具有十分重要的科學(xué)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
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