酷發明/陸研製出世界首台 自主型液態金屬機器

可變形液態金屬機器在內含電解液的容器或各種槽道中的自主運動情形。

大陸科學家造出了世界首台液態金屬機器,這一成就被外媒形容為製造出『終結者』。據中科院理化所網站,3月3日,由劉靜研究員帶領的中國科學院理化技術研究所、清華大學醫學院聯合研究小組,在Advanced Materials上發表了題為『Self-Fueled Biomimetic Liquid Metal Mollusk』(2015)的研究論文,迅速被New Scientist、Nature研究亮點、Science新聞等數十個知名科學雜誌或專業網站專題報導,在國際上引起重要反響和熱議。

根據觀察者網報導,此項研究於世界上首次發現了一種異常獨特的現象和機制,即液態金屬可在吞食少量物質後以可變形機器形態長時間高速運動,實現了無需外部電力的自主運動,從而為研製實用化智慧馬達、血管機器人、流體泵送系統、柔性執行器乃至更為複雜的液態金屬機器人奠定了理論和技術基礎。這是該小組繼首次發現電控可變形液態金屬基本現象(Sheng et al., Advanced Materials, 2014, 封面文章;Zhang et al., Scientific Reports, 2014)之後的又一突破性發現。

這種液態金屬機器完全擺脫了龐雜的外部電力系統,從而向研製自主獨立的柔性機器邁出了關鍵的一步。文章被選為期刊內前封面故事,Altmetric計量學資料顯示其指數已達71.0,遠高於期刊平均值6.7,在同時期論文中則排名No.1。

研究揭示,置於電解液中的鎵基液態合金可透過『攝入』鋁作為食物或燃料提供能量,實現高速、高效的長時運轉,一小片鋁即可驅動直徑約5 mm的液態金屬球實現長達1個多小時的持續運動,速度高達5cm/s。這種柔性機器既可在自由空間運動,又能於各種結構槽道中蜿蜒前行;令人驚訝的是,它還可隨沿程槽道的寬窄自行作出變形調整,遇到拐彎時則有所停頓,好似略作思索後繼續行進,整個過程仿佛科幻電影中的終結者機器人現身一般。

應該說,液態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),因此作者們將其命名為液態金屬軟體動物。這一人工機器的發明同時也引申出『如何定義生命』的問題。

目前,實驗室根據上述原理已能製成不同大小的液態金屬機器,尺度從數十公釐到數公分,且可在不同電解液環境如鹼性、酸性乃至中性溶液中運動。試驗和理論分析表明,此種自主型液態金屬機器的動力機制來自兩方面:一是發生在液態合金、金屬燃料及電解液間的Galvanic電池效應會形成內生電場,從而誘發液態金屬表面的高表面張力發生不對稱回應,繼而對易於變形的液態金屬機器造成強大推力;與此同時,上述電化學反應過程中產生的氫氣也進一步提升了推力。正是這種雙重作用產生了超常的液態金屬馬達行為,這種能量轉換機制對於發展特殊形態的能源動力系統也具重要啟示意義。

在迄今所發展的各種柔性機器中,自主型液態金屬機器所表現出的變形能力、運轉速度與壽命水準等均較為罕見,這為其平添了諸多重要用途。作為具體應用器件之一,論文還特別展示了首個無需外界電力的液態金屬泵,透過將其限定於閥座內,可達到自行旋轉並泵送流體的目的,據此可快速製造出大量微泵,滿足諸如藥液、陣列式微流體的輸運等,成本極低;若將此類柔型泵用作降溫,還可實現高度集成化的微晶片冷卻器;進一步的應用可發展成血管或腔道機器人甚至是可自我組裝的液態金屬智慧機器等。

刊載上述首創性發現的文章在線發表後,短時間內即引起世界範圍內眾多科學雜誌、專業網站和新聞媒體的高度重視。New Scientist在第一時間以文章和精心製作的視頻進行了報導:『液態金屬朝可變形機器人邁進一步(Liquid metal brings shape-shifting robot a step closer)』指出其『將成為今後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雜誌在其研究亮點欄目以『液態金屬馬達靠自身運動(Liquid metal motor moves by itself)』為題進行了報導;Science網站發布觀察文章和視頻:『可變形金屬馬達擁有一系列用途(Shape-shifting metal motor has a variety of uses)』;路透社也對此進行了專門報導。

眾多報導此項工作的科學雜誌或專業網站還有,物理學家組織網站:『可在液體中自行驅動的可變形液態金屬(Shape shifting liquid metal able to propel itself through liquids)』;化學和工程新聞C&EN:『旋轉的液態金屬馬達(Rolling Out Liquid-Metal Motors)』;Uncover California:『世界首個液態金屬機器人(World’s First Liquid Metal Robot)』;Siliconrepublic:『首個終結者型液態馬達問世,具無限潛力(First Terminator-1000-like liquid motor developed with unlimited potential)』;鏡報mirror:『真實的終結者1000液態金屬馬達(real-life-t-1000-liquid-metal-motor)』;Popular Science:『終結者智慧液態金屬或為新一輪軍備競賽的第一步(Terminator-Like 「Smart Liquid Metal’May Be The First Step In A New Arms Race)』;Space Daily等:『液態金屬機器人幾乎已在這兒,並且他們由大陸製造(Liquid Metal Robots Are Almost Here and They Are Made in China)』;Popular Mechanics:『終結者1000機器人或許就由這種自主行走的液態金屬製成(The T-1000 Is Probably Made of This Liquid Metal That Moves Itself)』;更多網站則紛紛展望了這一開創性技術在機器人、藥物遞送、血管和環境監測等方面的應用前景,認為『機器人工業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)』,『這是許多潛在商業用途的源泉,對於世界各國的工業界和政府會有巨大的興趣(That」s where the potential commercial uses come in, which should be of huge interest to industry and governments around the world)』。

據初步統計,文章發表兩周左右即已有數百個科學或專業網站對此進行了評介和轉載,說明瞭本項研究工作的影響。自驅動液態金屬機器的問世引申出了全新的可變形機器概念,將顯著提速柔性智慧機器的研製進程。

當前,全球圍繞先進機器人的研發活動正處於如火如荼的階段,若能充分發揮液態金屬所展示出的各種巨大潛力,並結合相關技術,將引發諸多超越傳統的機器變革。劉靜小組關於液態金屬自驅動效應和相應機器形態的發現,為今後發展高級的柔性智慧機器人技術開闢了全新途徑,具有十分重要的科學意義和實際應用價值。


自主型液態金屬機器所展示的人工軟體動物、實物馬達及其驅動流體情形。


大家都看過《魔鬼終結者2》,裡頭的大反派T-1000 液態金屬機器人那幾乎不死的能力讓人不寒而慄。