汪鴻章 陳森 單曉暉

機(jī)器人是一種能夠自主或半自主執(zhí)行功能的智能機(jī)器，有沒(méi)有一種機(jī)器人可在不同形態(tài)之間任意切換，以執(zhí)行傳統(tǒng)機(jī)器人難以完成的特殊任務(wù)？如在抗震救災(zāi)過(guò)程中，機(jī)器人可改變自身形態(tài)，穿越建筑廢墟的狹縫，完成探測(cè)救援任務(wù)；又如，在遭受巨大的破壞后，機(jī)器人可瞬間自修復(fù)，繼續(xù)執(zhí)行功能。這一功能的實(shí)體早在中國(guó)神話故事中就已出現(xiàn)：“土行孫”可直接穿越泥土的狹縫；孫悟空具有隨意變身的法術(shù)。實(shí)現(xiàn)任意變形的功能不僅僅是出現(xiàn)在神話中，也是全世界科技界和工程界的夙愿。科幻電影《終結(jié)者》中的可變形液態(tài)金屬機(jī)器人T-1000則將這一夙愿推向了高潮。液態(tài)金屬機(jī)器人可以化成流淌的液體鉆過(guò)任意狹縫，又可緩緩浮出地面，自組裝成人形；即使身體裂開(kāi)兩半，也可以瞬間恢復(fù)如初。這一天馬行空想象，成為一批科學(xué)家矢志不渝、努力奮斗的終極目標(biāo)。T-1000的科技原型液態(tài)金屬機(jī)器正是他們所研究的對(duì)象，而中國(guó)在這一領(lǐng)域處于國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的前沿。

液態(tài)金屬典型特征是具有良好的流動(dòng)性、超高的導(dǎo)電導(dǎo)熱特性、低熔點(diǎn)和高沸點(diǎn)、高表面張力、多刺激響應(yīng)特性。液態(tài)金屬可變形機(jī)器人主要是由鎵和鎵基合金構(gòu)成，具備智能響應(yīng)特性，可自主或半自主執(zhí)行功能，為智能機(jī)器人的研究提供了廣闊的空間。液態(tài)金屬機(jī)器人技術(shù)一旦突破成功，將科幻帶進(jìn)現(xiàn)實(shí)，必將革新人類日常生活的方方面面。

液態(tài)金屬大尺度變形現(xiàn)象

2014年，我國(guó)科學(xué)家首次揭示了液態(tài)金屬可在不同形態(tài)之間可逆切換行為[3]，開(kāi)啟了液態(tài)金屬可變形機(jī)器從科幻逐漸走進(jìn)現(xiàn)實(shí)的新時(shí)代。研究者發(fā)現(xiàn)，浸沒(méi)在水中的鎵基液態(tài)金屬可在低電壓刺激下，呈現(xiàn)出大幅度變形行為，一灘液態(tài)金屬可在瞬間收縮為金屬液滴，表面積變化可達(dá)上千倍，甚至可以輕易鉆過(guò)較自身狹窄多倍的縫隙。液態(tài)金屬可以“分身”出若干金屬液滴，并有序向一側(cè)移動(dòng)；不僅如此，兩個(gè)分離的液態(tài)金屬球可以相互靠近并融合，合二為一。調(diào)整電壓和電極位置，液態(tài)金屬還可以實(shí)現(xiàn)高速自旋運(yùn)動(dòng)以及定向高速運(yùn)動(dòng)。進(jìn)一步地，研究者發(fā)現(xiàn)通過(guò)化學(xué)—電學(xué)協(xié)同控制，精確調(diào)控表面張力，可實(shí)現(xiàn)完全可逆的變形行為，液態(tài)金屬可以在球體和鋪展?fàn)顟B(tài)之間可逆調(diào)節(jié)。研究者揭示了這一系列變形行為與界面雙電層的形成和液態(tài)金屬表面可逆氧化有關(guān)。調(diào)整接觸基底、電解質(zhì)類型，還可以實(shí)現(xiàn)更多千奇百怪的行為。例如，在浸入堿性溶液的石墨表面，液態(tài)金屬可以快速鋪展開(kāi)來(lái)，能被塑造成更多形狀。在電場(chǎng)作用下，液態(tài)金屬甚至可逆重力蠕動(dòng)爬行。結(jié)合3D打印固體器件，液態(tài)金屬還可以作為可變形車輪，在低電壓刺激下，即可帶動(dòng)車身運(yùn)動(dòng)，遇到狹窄的槽道，液態(tài)金屬變形以帶動(dòng)車身鉆過(guò)狹縫。

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步拓展了液態(tài)金屬可變形機(jī)器的多場(chǎng)驅(qū)動(dòng)方式，通過(guò)金屬胞吞作用，賦予液態(tài)金屬以磁響應(yīng)特性，以擺脫機(jī)器受限于溶液環(huán)境的問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)三維空間的可控運(yùn)動(dòng)。通過(guò)磁場(chǎng)調(diào)控，液態(tài)金屬機(jī)器還可實(shí)現(xiàn)可逆的固液切換，使得剛?cè)岵?jì)的可變形機(jī)器人成為了可能。

這些基礎(chǔ)發(fā)現(xiàn)革新了人們對(duì)于液態(tài)金屬可變形機(jī)器的認(rèn)識(shí)，通過(guò)傳統(tǒng)的剛性材料或流體是難以復(fù)現(xiàn)上述現(xiàn)象。事實(shí)上，這些行為已經(jīng)滿足構(gòu)筑液態(tài)金屬可變形機(jī)器的基本要素，為研制新型可變形機(jī)器開(kāi)辟了全新途徑。這一工作在國(guó)際上引發(fā)重大反響，成為液態(tài)金屬可變形機(jī)器人領(lǐng)域的開(kāi)端。

液態(tài)金屬爬行機(jī)器人

爬行軟體機(jī)器人是一類用柔性可變形材料研制的機(jī)器人，能夠自由改變自身的形狀，實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)功能。自然界中各種生物經(jīng)過(guò)數(shù)億年的演化，可以通過(guò)各種身體變化以在復(fù)雜的自然環(huán)境中快速運(yùn)動(dòng)。例如，樹(shù)上的尺蠖利用身體的收縮以及頭部和尾部摩擦力的變化，實(shí)現(xiàn)定向蠕動(dòng)爬行，在樹(shù)葉間來(lái)回穿梭。液態(tài)金屬具有良好的熱導(dǎo)率，可以更快地傳導(dǎo)熱量，研究人員利用這個(gè)特性，從而仿生制造了一種可以在溫度刺激下可控運(yùn)動(dòng)的爬行機(jī)器人。研究人員巧妙地將高導(dǎo)熱率的液態(tài)金屬與低沸點(diǎn)液體和硅橡膠混合，開(kāi)發(fā)出一種具有溫度響應(yīng)功能的液態(tài)金屬?gòu)?fù)合材料作為爬行機(jī)器人軀干，使其可在外界溫度刺激下實(shí)現(xiàn)快速大尺度膨脹和收縮。借助結(jié)合3D打印技術(shù)加工的具有選擇性抓取和放松（改變摩擦力） 的雙足，爬行機(jī)器人可以在冷熱刺激下充分發(fā)揮液態(tài)金屬?gòu)?fù)合材料的可控收縮和膨脹性能，以改變機(jī)器人軀干的長(zhǎng)度，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人向前運(yùn)動(dòng)。

不僅仿生蠕蟲(chóng)爬行機(jī)器人的研發(fā)和應(yīng)用受到了廣泛關(guān)注，彈跳、滾動(dòng)等運(yùn)動(dòng)形式的機(jī)器人也引起研究人員的興趣。例如，利用液態(tài)金屬產(chǎn)生氫氣后使其爆炸提供動(dòng)力，可使彈跳型運(yùn)動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自身高度數(shù)十倍的跳躍并輕松跨越障礙，展現(xiàn)其在探險(xiǎn)和救援領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力；利用熱刺激、電刺激或化學(xué)刺激等方式持續(xù)驅(qū)動(dòng)液態(tài)金屬液滴運(yùn)動(dòng)，可使輪式液態(tài)金屬運(yùn)動(dòng)機(jī)器人改變重心，實(shí)現(xiàn)持續(xù)滾動(dòng)功能[5]。這一系列液態(tài)金屬爬行運(yùn)動(dòng)機(jī)器人的創(chuàng)新研究與新型應(yīng)用，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)剛性機(jī)器人剛性結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)復(fù)雜等缺陷，擴(kuò)大了機(jī)器人的應(yīng)用范圍，促進(jìn)了特種機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展。

液態(tài)金屬水下機(jī)器人

我們生活在一個(gè)藍(lán)色星球，其中水域面積占地球總面積的71%左右。在這廣闊無(wú)垠的水面下蘊(yùn)藏著巨大的寶藏，而為了對(duì)水下情況進(jìn)行探索就須使用水下機(jī)器人。對(duì)于水母，相信很多人都見(jiàn)過(guò)，它晶瑩剔透，游動(dòng)時(shí)動(dòng)作優(yōu)美、流暢、靈活、高效，因而成為水下機(jī)器人領(lǐng)域競(jìng)相模仿的對(duì)象。液態(tài)金屬在室溫條件下具有良好的流動(dòng)性和導(dǎo)電性，研究人員基于此特性制造了一種可在水下工作的水母機(jī)器人并完成了綜合測(cè)試[6]。為了制備液態(tài)金屬水母機(jī)器人，研究人員首先通過(guò)倒模制造了硅膠流道，將液態(tài)金屬注入流道中，由此可制成具有液態(tài)金屬線圈的彈性膜。然后，永磁鐵被放入水母?jìng)銧铙w中用以產(chǎn)生磁場(chǎng)，在永磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)中，對(duì)液態(tài)金屬線圈通入電流使薄膜受到安培力作用。當(dāng)通交流電時(shí)，薄膜將受到吸引和排斥的力，通過(guò)上下運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)周圍的薄膜以及觸手運(yùn)動(dòng)。該方法利用液態(tài)金屬柔性線圈在電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了液態(tài)金屬水母機(jī)器人在水下的運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)表明，此仿生水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)輕柔，對(duì)周圍生物的影響甚微，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，有望用于水下救援、調(diào)查取樣、海底監(jiān)測(cè)、資源探測(cè)等各種領(lǐng)域。

液態(tài)金屬微納米機(jī)器人

微納米機(jī)器人屬于分子仿生學(xué)的范圍，以分子水平的生物學(xué)原理作為設(shè)計(jì)原型，在微納米空間制作微型機(jī)器人。因?yàn)槠洫?dú)特的優(yōu)勢(shì)，微納米機(jī)器人研究吸引了國(guó)內(nèi)外大量研究人員的關(guān)注，一些科研成果已經(jīng)開(kāi)始用于醫(yī)療和國(guó)防等領(lǐng)域。以往的研究中，研究人員利用已知的生物或細(xì)胞結(jié)構(gòu)作為納米機(jī)器人的結(jié)構(gòu)骨架來(lái)制備微納米機(jī)器人，獲得了納米齒輪、納米馬達(dá)、血管機(jī)器人等多種微納米機(jī)器。那么液態(tài)金屬作為一類性能優(yōu)異的可被多場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的智能軟材料，能否用于制造微納米機(jī)器呢？答案是肯定的。經(jīng)過(guò)數(shù)年的努力，我國(guó)液態(tài)金屬微納米機(jī)器人技術(shù)獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展，研究人員制造了多種液態(tài)金屬微納米機(jī)器人，并且逐步將這些機(jī)器人應(yīng)用于實(shí)際中。研究人員也發(fā)現(xiàn)，聲場(chǎng)也可對(duì)大量液態(tài)金屬微納米顆粒進(jìn)行調(diào)控，實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬微納米液滴運(yùn)動(dòng)等功能[7]。利用這種聲場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的特性，液態(tài)金屬微納米機(jī)器人可用于靶向疾病治療?；谝簯B(tài)金屬的優(yōu)異特性，我們有理由相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，液態(tài)金屬微納米機(jī)器人將在更多的領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

液態(tài)金屬自驅(qū)動(dòng)機(jī)器人

液態(tài)金屬最令人驚異的行為或許是可以像生命那樣通過(guò)吞食“燃料”獲得長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)動(dòng)的能力。世界上首個(gè)液態(tài)金屬自主運(yùn)動(dòng)機(jī)器或稱仿生軟體動(dòng)物于2015年誕生[8]，宣告液態(tài)金屬智能機(jī)器邁入新時(shí)代，為人類研制自主獨(dú)立的可變形機(jī)器“終結(jié)者”指明了方向。研究發(fā)現(xiàn)置于電解質(zhì)溶液中的液態(tài)金屬可通過(guò)“吞食”微量鋁箔補(bǔ)充能量，實(shí)現(xiàn)高速、高效的運(yùn)動(dòng)，直徑僅為幾毫米的金屬機(jī)器可以持續(xù)運(yùn)動(dòng)超過(guò)1小時(shí)，速度每分鐘可達(dá)數(shù)千毫米。有意思的是，該變形機(jī)器不僅能在自由空間運(yùn)動(dòng)，在特殊槽道空間亦可蜿蜒前行，還可根據(jù)槽道寬窄調(diào)節(jié)自身體積從而順利通過(guò)。在圓形槽道中的液態(tài)金屬機(jī)器可被分離成若干個(gè)小型液態(tài)金屬機(jī)器，它們可以相互追逐，最終能融為一體，繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。該液態(tài)金屬機(jī)器的尺寸可大可小，從數(shù)十微米到數(shù)十毫米不等。在中性溶液乃至酸堿溶液中均可自主運(yùn)動(dòng)。更有趣的是，液態(tài)金屬機(jī)器置于電解質(zhì)溶液中的石墨表面，可以自主伸出“偽足”，仿佛在探索周圍的環(huán)境，這已經(jīng)相當(dāng)接近于自然界的原生動(dòng)物。

自驅(qū)動(dòng)現(xiàn)象背后的機(jī)制也被揭示，液態(tài)金屬、金屬燃料等形成的內(nèi)生電場(chǎng)，誘發(fā)了液態(tài)金屬的表面張力差異，從而對(duì)變形的液態(tài)金屬機(jī)器帶來(lái)了強(qiáng)大推力。另外，電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的氣體進(jìn)一步為液態(tài)金屬運(yùn)動(dòng)提供了助力。雙重作用產(chǎn)生了液態(tài)金屬自驅(qū)動(dòng)行為。研究者基于此原理研制了無(wú)需外界電力的液態(tài)金屬泵，可以實(shí)現(xiàn)藥液和冷卻流體的輸運(yùn)，有望用于血管或腔道機(jī)器人、芯片冷卻裝置等。這一突破性發(fā)現(xiàn)為研制實(shí)用化可變形機(jī)器人奠定了理論和技術(shù)基礎(chǔ)，在國(guó)際上引起了較大反響，先后得到Nature、Nature Materials、Science News等的評(píng)介報(bào)道，國(guó)際知名雜志發(fā)表評(píng)論稱“真正的液態(tài)金屬終結(jié)者T-1000誕生于中國(guó)實(shí)驗(yàn)室”。

結(jié) 語(yǔ)

總的來(lái)說(shuō)，不同于傳統(tǒng)的固態(tài)機(jī)器，液態(tài)金屬機(jī)器的問(wèn)世引申出全新的可變形機(jī)器人概念，已被公認(rèn)為機(jī)器人領(lǐng)域最具發(fā)展前景的重大方向之一。液態(tài)金屬機(jī)器還處在方興未艾的早期階段，大部分屬于基礎(chǔ)技術(shù)探索，成熟的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用非常少，距離研發(fā)出實(shí)際可應(yīng)用于生活的“終結(jié)者”變形機(jī)器人還有很長(zhǎng)的路要走。不過(guò)毫無(wú)疑問(wèn)，目前取得的系列進(jìn)展足以令人興奮，從宏觀到微觀均有涉及，科幻電影中的情節(jié)也與現(xiàn)實(shí)越來(lái)越近，有望滿足科學(xué)界和工業(yè)界對(duì)可變形機(jī)器的重大需求。因此需要一大批學(xué)者和產(chǎn)業(yè)界通力合作，構(gòu)建基礎(chǔ)理論框架，突破技術(shù)瓶頸，把握發(fā)展機(jī)遇，推動(dòng)液態(tài)金屬可變形機(jī)器人早日落地產(chǎn)業(yè)化。

國(guó)內(nèi)團(tuán)隊(duì)目前仍然占據(jù)液態(tài)金屬可變形機(jī)器人領(lǐng)域的研究高地，包括清華大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、蘇州大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、武漢大學(xué)、華中科技大學(xué)、深圳大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)的學(xué)者和產(chǎn)業(yè)界做出了突出貢獻(xiàn)。作為新興概念和產(chǎn)業(yè)，液態(tài)金屬可變形機(jī)器蘊(yùn)含著眾多的研究機(jī)遇，諸如液態(tài)金屬智能復(fù)合材料的發(fā)展，揭示新材料的獨(dú)特變形運(yùn)動(dòng)機(jī)理，構(gòu)筑調(diào)控手段；液態(tài)金屬與生物學(xué)、機(jī)器人、電子學(xué)等領(lǐng)域的交叉融合，進(jìn)一步促成液態(tài)金屬可變形機(jī)器人理論與應(yīng)用技術(shù)體系革新，為學(xué)科前沿提供豐富的研究空間；從工業(yè)實(shí)際需求切入，精準(zhǔn)推動(dòng)液態(tài)金屬可變形機(jī)器人的基礎(chǔ)研發(fā)，構(gòu)建配套基礎(chǔ)設(shè)施，并逐漸培育產(chǎn)業(yè)化市場(chǎng)，促進(jìn)工業(yè)體系發(fā)展。

[1]Wang H， Chen S， Li H， et al. A liquid gripper based on phase transitional metallic ferrofluid. Advanced Functional Materials， 2021： 2100274.

[2]Wang H， Chen S， Yuan B， et al. Liquid metal transformable machines. Accounts of Materials Research， 2021， 2： 1227.

[3]Sheng L， Zhang J， Liu J. Diverse transformations of liquid metals between different morphologies. Advanced Materials， 2014， 26： 6036.

[4]Yao Y， Liu J. A polarized liquid metal worm squeezing across a localized irregular gap. RSC Advances， 2017， 7： 11049.

[5]Wu J， Tang S Y， Fang T， et al. A wheeled robot driven by a liquidmetal droplet. Advanced Materials， 2018， 30： 1805039.

[6]Ye J， Yao Y C， Gao J Y， et al. LM-jelly： liquid metal enabled biomimetic robotic jellyfish. Soft Robots， in press， 2022.

[7]Wang D， Gao C， Wang W， et al. Shape-transformable， fusible rodlike swimming liquid metal nanomachine. ACS Nano， 2018， 12： 10212.

[8]Zhang J， Yao Y， Sheng L， et al. Self-fueled biomimetic liquid metal mollusk. Advanced Materials， 2015， 27： 2648.

[9]Zhang J， Yao Y， Liu J. Autonomous convergence and divergence of the self-powered soft liquid metal vehicles. Science Bulletin， 2015， 60： 943.

[10]Hu L， Yuan B， Liu J. Liquid metal amoeba with spontaneous pseudopodia formation and motion capability. Scientific Reports， 2017， 7： 7256.

關(guān)鍵詞：液態(tài)金屬 可變形機(jī)器人 自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 納米機(jī)器人 ■