說起液態(tài)金屬，很多人第一時(shí)間想到的，恐怕是電影《終結(jié)者》中可以任意變換形態(tài)的“液體機(jī)器人”。這個(gè)目前還僅僅存在于科幻作品中的形象，在未來有了實(shí)現(xiàn)的可能。日前，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院與中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所聯(lián)合研究小組的發(fā)現(xiàn)，首次揭示了液態(tài)金屬的節(jié)律性自發(fā)振蕩效應(yīng)和跳躍現(xiàn)象，并研發(fā)出了自驅(qū)動(dòng)的磁性液態(tài)金屬機(jī)器以及由金屬液滴車輪驅(qū)動(dòng)的三維打印“車輛”。

也正是這一研究小組，在2015年3月研發(fā)出了世界首個(gè)自主運(yùn)動(dòng)的可變形液態(tài)金屬機(jī)器，引領(lǐng)柔性機(jī)器研制的方向，此次突破更是有望提升柔性智能機(jī)器的研制進(jìn)程。

液態(tài)金屬機(jī)器人進(jìn)化了！

液態(tài)金屬的進(jìn)化才剛剛開始

液態(tài)金屬是指在常溫常壓下像水一樣呈液態(tài)的金屬。金屬熔點(diǎn)較高，通常除了水銀，常規(guī)環(huán)境下的金屬多呈固態(tài)。讓金屬在相對(duì)低溫條件下呈現(xiàn)液態(tài)，展現(xiàn)神通廣大的本領(lǐng)，曾被認(rèn)為是異想天開。

中科院理化技術(shù)研究所雙聘研究員、清華大學(xué)教授劉靜帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在液態(tài)金屬領(lǐng)域，經(jīng)過十多年研究探索，發(fā)現(xiàn)了液態(tài)金屬在材料學(xué)、熱學(xué)、流體、電子學(xué)、生物醫(yī)學(xué)及柔性機(jī)器等方面的一系列獨(dú)特機(jī)理，并從一開始就探索各種可能的應(yīng)用方向。

2013年，劉靜團(tuán)隊(duì)把液態(tài)金屬做成打印“墨水”，首次研發(fā)出紙上直接生成電子電路的技術(shù)。一年后，團(tuán)隊(duì)又研發(fā)出世界首臺(tái)室溫液態(tài)金屬打印機(jī)，借助該設(shè)備，只需在計(jì)算機(jī)上設(shè)定程序，就可以“打”出個(gè)性化的電路系統(tǒng)。

2015年3月，劉靜團(tuán)隊(duì)首次研發(fā)出自主運(yùn)動(dòng)的可變形液態(tài)金屬機(jī)器。他們發(fā)現(xiàn)液態(tài)金屬擁有一種異常獨(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)間運(yùn)動(dòng)。這種被劉靜團(tuán)隊(duì)命名為“軟體動(dòng)物”的液態(tài)金屬人工機(jī)器，在形態(tài)上已十分接近自然界簡(jiǎn)單的軟體生物。相應(yīng)發(fā)現(xiàn)為研發(fā)未來可變形機(jī)器人邁出了極為關(guān)鍵的一步。

一系列探索，為液態(tài)金屬在柔性機(jī)器領(lǐng)域的發(fā)展打下了基礎(chǔ)。

業(yè)內(nèi)專家表示，自驅(qū)動(dòng)液態(tài)金屬機(jī)器的問世及其引申出的全新的可變形機(jī)器模式，有望變革傳統(tǒng)的機(jī)器制造理念，提速柔性智能機(jī)器的研制進(jìn)程。

十多年來，劉靜帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)圍繞液態(tài)金屬開展了大量原創(chuàng)性探索，在芯片冷卻、先進(jìn)制造、電子技術(shù)、生物醫(yī)療及柔性機(jī)器等領(lǐng)域取得全面突破。團(tuán)隊(duì)迄今已發(fā)現(xiàn)30類以上具有重要科學(xué)意義的液態(tài)金屬基礎(chǔ)現(xiàn)象或效應(yīng)，研發(fā)出數(shù)十種實(shí)用技術(shù)。通過這些不懈努力，人們也得以初窺到奇特的液態(tài)金屬同時(shí)兼?zhèn)涞目茖W(xué)與應(yīng)用魅力。

不過，劉靜認(rèn)為，之前發(fā)現(xiàn)的液態(tài)金屬能“吃”、會(huì)動(dòng)的形態(tài)，尚只是柔性機(jī)器人發(fā)展的初級(jí)階段。“以自然界生物進(jìn)化的觀點(diǎn)看，先前的工作或許只相當(dāng)于培育出了基本的功能單元即細(xì)胞，要使之成為完整的仿生物體柔性機(jī)器人，還需要生長(zhǎng)出肌肉、骨骼、器官和皮膚等組織，從這種意義上講，液態(tài)金屬機(jī)器人的進(jìn)化只是剛剛開始。”

新發(fā)現(xiàn)讓液態(tài)金屬成了“運(yùn)動(dòng)健將”

劉靜團(tuán)隊(duì)近期的一系列研究成果，正是為推動(dòng)液態(tài)金屬機(jī)器人進(jìn)化所做的奠基工作。

此前，液態(tài)金屬機(jī)器均以純液態(tài)方式出現(xiàn)，雖然也能自主“運(yùn)動(dòng)”，但純液體的形態(tài)也讓其運(yùn)動(dòng)方式和能力有比較大的局限。在最近刊發(fā)在《尖端科學(xué)》上的一篇封面文章中，劉靜團(tuán)隊(duì)首次揭示了一種液態(tài)金屬固液組合機(jī)器的自激振蕩效應(yīng)。他們發(fā)現(xiàn)，將預(yù)先處理過的銅絲觸及含鋁的液態(tài)金屬時(shí)，銅絲會(huì)被液態(tài)金屬迅速吞入，并隨后在液態(tài)金屬機(jī)體上做長(zhǎng)時(shí)間往復(fù)穿梭運(yùn)動(dòng)，如同演奏音樂中的小提琴琴弦一般。

“沒想到固體金屬絲竟能在液態(tài)金屬基座上做節(jié)律性往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這種振蕩效應(yīng)在自然界中異常獨(dú)特，以往從未見到類似的機(jī)器形態(tài)。”劉靜說，這種固液組合機(jī)器效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和技術(shù)突破，就好比液態(tài)金屬機(jī)器在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)化出了內(nèi)在的功能性骨骼。業(yè)內(nèi)人士分析，這一發(fā)現(xiàn)革新了傳統(tǒng)的科學(xué)理念，為柔性智能機(jī)器的研制打開了新思路。

發(fā)表于《應(yīng)用物理學(xué)快報(bào)》的論文則讓人們認(rèn)識(shí)到液態(tài)金屬有趣的跳躍行為。研究人員向放有金屬液滴的溶液體系中加入固體金屬顆粒（鎳、鐵等）后，原本靜止的金屬液滴開始跳動(dòng)起來，并在容器底留下一串餅狀“腳印”。

發(fā)表在《材料化學(xué)學(xué)報(bào)B》的封面文章顯示，研究人員實(shí)現(xiàn)了液態(tài)金屬機(jī)器在外部磁場(chǎng)或電場(chǎng)作用下的靈活控制。“這好比給液態(tài)金屬機(jī)器穿上了一件外衣，相當(dāng)于為其提供了外骨骼。”劉靜說。

通過對(duì)液態(tài)金屬柔性機(jī)器運(yùn)動(dòng)形態(tài)的進(jìn)一步研究，研究人員還結(jié)合三維打印技術(shù)發(fā)展出了一種以柔性可變形液態(tài)金屬“車輪”驅(qū)動(dòng)的微型車輛。研究發(fā)現(xiàn)，在電場(chǎng)作用下，液態(tài)金屬“車輪”可發(fā)生旋轉(zhuǎn)變形，繼而驅(qū)動(dòng)車輛和小船行進(jìn)、加速乃至實(shí)現(xiàn)更多復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)證實(shí)，這種形態(tài)的固液組合車輛，擁有類似四驅(qū)車的結(jié)構(gòu)和原理，可在攜帶在0.4克物體情況下以25毫米/秒的速度運(yùn)動(dòng)。

劉靜說，無論是發(fā)現(xiàn)固液組合機(jī)器的自發(fā)節(jié)律振蕩效應(yīng)以及液態(tài)金屬的“跳動(dòng)”功能，還是在電場(chǎng)作用下的變形運(yùn)動(dòng)，都是為了讓液態(tài)金屬擁有更強(qiáng)更復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)能力，意味著在通向未來可能的柔性機(jī)器人的道路上發(fā)現(xiàn)了進(jìn)化的可能和方向，有望衍生出更多復(fù)雜的可控機(jī)器架構(gòu)。

劉靜相信，未來能夠進(jìn)化出非常復(fù)雜的液態(tài)金屬機(jī)器。

液態(tài)金屬機(jī)器未來有望智能起來

液態(tài)金屬自驅(qū)動(dòng)機(jī)器出現(xiàn)時(shí)，業(yè)界專家認(rèn)為，一旦突破了材料和技術(shù)理念的限制，就有望發(fā)展出柔性智能機(jī)器人。那么，現(xiàn)在我們距離制造出“變形機(jī)器人”還有多遠(yuǎn)？

“當(dāng)前，機(jī)器人普遍作為一種剛體機(jī)器發(fā)揮作用，這與自然界中人或動(dòng)物有著平滑柔軟的外表以及無縫連接方式完全不同。但它們離理想中的高級(jí)機(jī)器人所應(yīng)擁有的柔軟和變形能力還有很大距離。”劉靜說。未來，研究小組將圍繞可變形機(jī)器，結(jié)合生物學(xué)、機(jī)器人、流體力學(xué)、電子學(xué)以及人工智能等學(xué)科的知識(shí)，進(jìn)一步發(fā)展液態(tài)金屬可變形機(jī)器的理論與技術(shù)，他將研究項(xiàng)目命名為SMILE計(jì)劃。“我們希望未來液態(tài)金屬機(jī)器人能夠智能起來、擁有記憶和處理功能。不過，機(jī)器要發(fā)展出哪怕一點(diǎn)點(diǎn)智能，都需要我們?nèi)ジ冻鼍薮笈Α?rdquo;

專家表示，完全的“變形機(jī)器人”，要求內(nèi)部的主要設(shè)備也必須采用液態(tài)介質(zhì)。就當(dāng)前的情況來看，還找不到合適的技術(shù)解決這一問題。

劉靜認(rèn)為，作為新興物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域的革命性材料，液態(tài)金屬擁有許多常規(guī)材料所不具備的新奇特性，對(duì)它的深入研究能為許多現(xiàn)代科學(xué)與工程學(xué)提供豐富的研究空間。這些在柔性機(jī)器研究方面取得的突破，也帶給芯片冷卻、先進(jìn)制造、新能源、生物醫(yī)療等領(lǐng)域以研究啟示。他相信，未來液態(tài)金屬研究還將有各種“匪夷所思的發(fā)現(xiàn)”。