電場控制下的液態金屬大尺度變形以及液態金屬球之間的粘連與融合現象
電場控制下的液態金屬球高速自旋運動以及由此誘發的周邊流體渦漩現象
資料圖：電影《終結者2》中的液態金屬機器人，新發現為建造該類型智能機器人提供了基本要素，雖然還有很長的路要走但已不再只是空中樓閣。
近期，由劉靜研究員帶領的中國科學院理化技術研究所與清華大學聯合研究小組，首次發現電場控制下液態金屬與水的複合體可在各種形態及運動模式之間發生轉換的基本現象，相應研究在線發表於Advanced Materials（《先進材料》）上，論文題為Diverse Transformations of Liquid Metals Between Different Morphologies（《不同構象之間的液態金屬多變形性》）。
此項工作源於團隊長期以來在液態金屬領域不斷研究推進中的偶然發現。論文通過系統的實驗，揭示出室溫液態金屬具有可在不同形態和運動模式之間轉換的普適變形能力。比如，浸沒於水中的液態金屬對象可在低電壓作用下呈現出大尺度變形、自旋、定向運動，乃至發生液球之間的自動融合、斷裂-再合併等行為，且不受液態金屬對象大小的限制；較為獨特的是，一塊很大的金屬液膜可在數秒內即收縮為單顆金屬液球，變形過程十分快速，而表面積改變幅度可高達上千倍；此外，在外電場作用下，大量彼此分離的金屬液球可發生相互粘連及合併，直至融合成單一的液態金屬球；依據於電場控制，液態金屬極易實現高速的自旋運動，並在周圍水體中誘發出同樣處於快速旋轉狀態下的漩渦對；若適當調整電極和流道，還可將液態金屬的運動方式轉為單一的快速定向移動。研究表明，造成這些變形與運動的機制之一在於液態金屬與水體交界面上的雙電層效應。以上豐富的物理學圖景革新了人們對於自然界複雜流體、軟物質特別是液態金屬材料學行為的基本認識。這些超越常規的物體構象轉換能力很難通過傳統的剛性材料或流體介質實現，它們事實上成為用以構築可變形智能機器的基本要素，為可變形體特別是液體機器的設計和製造開闢了全新途徑。
由於上述發現的科學突破性和實際應用價值，研究小組在今年1月間將部分成果以《液態金屬變形體》（Liquid Metal Transformers）為題公布於物理學預印本網站arXiv時，很快就在國際上引起重大反響及廣泛熱烈的討論，一度被多達上百個科學或專業英文網站予以專題報道和評介。業界普遍認為，這一“液體機器預示着柔性機器人的新時代”（liquid machines promise new era of soft robots），“這些先驅性工作或讓液體金屬‘終結者’成真”（this might be about to change thanks to the pioneering work），有關網站還以“中國正在測試自我打印機器人”為題進行了報道；而Advanced Materials的幾位審稿人在評閱論文時，認為所揭示的現象“令人着迷”（fascinating），“註定會成為重要的研究領域”（bound to be an important field of study）。無獨有偶，今年3月初，一組來自澳大利亞的科學家們也在美國科學院院刊（PNAS）上報道了利用電控下浸沒於NaOH溶液中的液態金屬微球的旋轉效應來驅動流體的工作，同樣引起較大反響，這些工作均展示出液態金屬技術的獨特魅力。
眾所周知，在自然界，實現能在不同形態之間自由轉換的可變形柔性機器，以執行常規技術難以完成的更為特殊高級的任務，是科學界與工程界長久以來的夢想，相應研究在民用、醫療與科學探索中具有重大理論意義和應用前景。比如，在抗震救災動中，此類機器人應能根據需要適時變形，以穿過狹小的通道、門縫乃至散布於建築物中的空隙，之後再重新恢復原形並繼續執行任務。事實上，在醫學實踐中，研製可沿血管包括人體自然腔道運動，以承擔各種在體醫學服務的柔性機器人，早已成為非常現實的科學目標。顯然，在最為高級的機器人中，具備可變形性和柔性特徵是極為關鍵的一環。人們普遍認為，一旦這樣的技術得以實現，其對人類活動所作出的貢獻，將遠遠超過現有的機器人。不過，由於受到來自材料特別是技術理念的限制，有關研究尚處於積極的推進之中。
迄今，機器人大多仍是作為一種剛體機器發揮作用，這與自然界中人或動物有着平滑柔軟的外表以及無縫連接方式完全不同。柔性機器作為新的發展前沿，已促成多類型機器人的發明，但離理想中的高級機器所應擁有的柔軟和普適變形能力還有很大距離。回顧以往人類所構想過的各種先進機器雛形，最讓人印象深刻者莫過於美國好萊塢影片《終結者》中始終不能被擊敗的液態金屬機器人，這種可以改變外表形狀，呈現各種造型，未來色彩極為濃厚的機器，雖純屬科學幻想，卻使人類對機器人的概念有了重大改變。劉靜小組的上述發現，為可變形材料特別是液體機器的設計和製造邁出了關鍵性的一步，一定程度上從理論和技術的層面論證了實現液態金屬機器人的可能性；事實上，該研究已打開了系列已趨現實的應用範疇，如製造柔性執行器，控制目標流體或傳感器的定向運動、金屬液體回收，以及用作微流體閥、泵或更多人工機器等。若採用空間架構的電極控制，還可望將這種智能液態金屬單元擴展到三維，以組裝出具有特殊造型和可編程能力的仿生物或人形機器；甚至，在外太空探索中的微重力或無重力環境下，也可發展對應的機器來執行相應任務。
總之，作為一大類新興的功能材料，液態金屬擁有許多常規材料不易具備的屬性，蘊藏着諸多以往從未被認識的新奇物理特性，為若干科學與技術探索提供了豐富的研究空間。今後，研究小組還將繼續圍繞可變形機器這一重大基礎前沿和戰略需求，融合液態金屬材料、生物學、機器人、流體力學、電子、傳感器以及計算機等學科的知識，系統發展可變形室溫液態金屬機器的理論與技術體系，全面揭示室溫液態金屬超常的構象轉換、變形與運動機理及調控方法，以期為未來研發尖端柔性機器並開闢全新應用創造條件，最終促成可變形機器從理論到應用技術上的全面突破。
