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材料+说:液态金属再获突破 变形机器人有望制造

发布时间:2016-11-28

来源: 中国有色金属报

11月11日,中国科学院理化技术研究所低温生物与医学研究组首次发布了液态金属可在石墨表面以任意形状稳定呈现的自由塑型效应,并实现了逆重力方式的攀爬运动的研究成果。
该研究成果是首次发现通过引入石墨基底,可灵活自如地将处于电解液环境中的液态金属塑造成各种锐利图案如条形、三角形、方形、环形以及更多任意形状。
迄今,液态金属虽可通过外加电场短暂改变形状,然而一旦去除外场,液态金属即会在其表面张力作用下迅速回缩成球形,无法维持先前的结构。此项研究的负责人刘静介绍,此次发现的液态金属自由铺展与塑型效应,为柔性变形机器人的研制乃至4D打印等提供了新方向。
该项研究首次实现了在开放液体环境中的液态金属自由塑形,突破了原有的液态金属元件调控模式,在不定形柔性电子器件、可变形智能机器的设计乃至先进制造方面有重要价值。
基于石墨表面的液态金属自由塑形效应,研究人员探索了电场作用下,液态金属不同于传统基底材料如塑料、玻璃等情形的丰富物理化学图景,初步揭示了其独特的变形及匍匐运动行为的内在机制。有趣的是,刘静研究组还首次揭示出处于自由空间下的电控液态金属的蠕动爬坡能力,实现了逆重力方式的运动。而采用常规材料,液态金属会因自身重力较大且表面光滑难以攀爬的缘故,不易通过外电场实现逆重力牵引。刘静指出:“新发现扩展了近年来兴起的液态金属柔性机器的理论与技术内涵。”
“液态金属”指的是一种不定型金属,可看作由正离子流体和自由电子气组成的混合物,是一种有黏性的流体,具不稳定性。它可通过充型过程,形成各种铸件。在液态金属与水体交界面上的双电层效应,可以令室温液态金属具有在不同形态和运动模式之间转换的普适变形能力。比如,浸没于水中的液态金属对象可在低电压作用下呈现出大尺度变形;一块很大的金属液膜可在数秒内即收缩为单颗金属液球。
事实上,刘静实验组不只在这次研究上获得重大成果,在液态金属的研究领域,刘静实验组一直都处于世界的前列。
2013年6月,把液态金属做成打印“墨水”,刘静团队首次研发出纸上直接生成电子电路的技术;2014年,团队又研发出世界首台室温液态金属打印机,借助该设备,只需在计算机上设定程序,就可以“打”出个性化的电路系统;2015年初,刘静带领的团队造出世界首台液态金属机器的信息引起《科学》等权威网站的关注,被形容为制造出“终结者”。该研究成果为研制实用化智能马达、血管机器人、流体泵送系统、柔性执行器乃至更为复杂的液态金属机器人奠定了理论和技术基础。
10多年来,由中科院理化所研究员刘静带领的团队围绕液态金属开展了大量原创性探索,在芯片冷却、先进制造、电子技术、生物医疗及柔性机器等领域取得重大突破。团队迄今已发现30类以上具有重要科学意义的液态金属基础现象或效应,研发出数十种实用技术,在包括北京、云南、广东等地在内的全国范围内推动产业化,先后促成了领先性液态金属产品生产线、研发中心及科技馆的建设落成,多种产品进入市场,提出的创建液态金属谷乃至发展液态金属全新工业体系的构想也正从理想变成现实,成果在海内外学术界和工业界产生重大影响。
近些年,刘静团队一直在致力于联合工业界推动液态金属产业化应用。刘静曾表示:“我们有幸在液态金属研究上走在世界前头,但在产业方面不能落后,我们要把握历史机遇,帮助我国建成世界级的液态金属谷。”
随着科技的不断进步,液态金属已经走进了我们的视野,但拥有液态金属就意味着能制造出“变形机器人”吗?
理想情况下,利用这项技术,人们无需对机器人进行如何的塑形,只需要按照一定程序来改变水的酸碱成分,金属就能自行达到既定的形状。这项技术达到一定程度之后将彻底改变钢材的应用范围。比如当无人机需要穿越一个较为低矮的地方,如果采用了这种液态金属之后,它可以瞬间变成扁平状,一举飞跃障碍。
当然这项技术还有很长的路要走,短时间内想要实现它是不可能的。建造液态金属机器人所需要的编程复杂性将远超目前的方法。更困难的是,想要达到“变形机器人”的这种高度,势必要求内部的所有智能设备也必须采用液态金属,就目前的情况来看,我们还找不到一项合适的技术能够解决。(韩硕)

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