設(shè)計(jì)出能以可控方式在不同形態(tài)之間自由轉(zhuǎn)換的機(jī)器，并創(chuàng)造出高智能設(shè)備代替人類執(zhí)行更為特殊高級(jí)或危險(xiǎn)復(fù)雜的任務(wù)，www.whsntf.cn，一直是全球科學(xué)界與工程界的一個(gè)夢(mèng)想。
■本報(bào)記者貢曉麗
柔性機(jī)器人作為一個(gè)新興領(lǐng)域，從機(jī)械學(xué)、物理學(xué)到生物學(xué)，都已獲得越來(lái)越廣泛的關(guān)注。然而具有剛性對(duì)應(yīng)物的傳統(tǒng)材料很難靈活地轉(zhuǎn)變?yōu)槎喾N形態(tài)。鎵基液態(tài)合金具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性、低黏度、良好的流動(dòng)性和生物相容性，在先前的研究中，其展現(xiàn)出了在外加電場(chǎng)和犧牲金屬的刺激下變形和運(yùn)動(dòng)的能力，在柔性機(jī)器人領(lǐng)域被寄予厚望。
鎵基合金一直以銀白色的金屬光澤示人。近日，中科院理化所研究報(bào)道了液態(tài)金屬表面在犧牲金屬或電場(chǎng)的刺激下可產(chǎn)生變色現(xiàn)象，使得液態(tài)金屬具備了類似章魚等頭足綱動(dòng)物的柔軟、可變形變色的特點(diǎn)。
該研究由中科院理化所研究員饒偉和宋愷合作，成果已于近日發(fā)表于ACSAppliedMaterials&Interfaces期刊。
從意外發(fā)現(xiàn)到有序調(diào)控
鎵基液態(tài)金屬的變色主要緣于對(duì)光路的調(diào)控。采訪中，饒偉向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者詳細(xì)解釋了變色原理，在犧牲金屬和外加電場(chǎng)的控制下，鎵基液態(tài)金屬表面生成了一層厚厚的氧化鎵（Ga2O3）氧化膜，這層膜的厚度比正常情況下生成的Ga2O3氧化膜厚數(shù)百倍，與光的波長(zhǎng)量級(jí)相當(dāng)。
在電場(chǎng)作用下形成的氧化膜上下表面是光滑的，因此入射光在氧化膜表面會(huì)發(fā)生薄膜干涉，從而產(chǎn)生五顏六色的色彩。而在犧牲金屬作用下，氧化膜的下表面并不光滑,沒(méi)有發(fā)生薄膜干涉，同時(shí)由于氧化膜內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了瑞利散射，表面呈現(xiàn)金黃的色彩，隨著原電池反應(yīng)的進(jìn)行，氧化膜下表面的液態(tài)金屬上會(huì)產(chǎn)生很多孔洞，這些孔洞相當(dāng)于一些黑體，吸收了入射的光線，機(jī)器人維修，隨著孔洞的數(shù)量增加，大部分光線被孔洞吸收，液態(tài)金屬表面逐漸呈現(xiàn)黑色。
其實(shí)這是一個(gè)十分偶然而又有趣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。饒偉介紹研發(fā)過(guò)程時(shí)表示，理化所低溫生物與醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室在2016年發(fā)現(xiàn)了液態(tài)金屬在石墨表面上的自由塑形效應(yīng)，液態(tài)金屬吞噬鋁箔之后可在石墨基底板上伸出若干個(gè)偽足發(fā)生形變，猶如神奇的變形蟲。
我們?cè)谥貜?fù)這一實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，無(wú)意中提升了一下鋁箔和液態(tài)金屬的重量比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)液態(tài)金屬在犧牲金屬的刺激下不僅發(fā)生了形狀各異的變形（花朵狀、雪花狀），還產(chǎn)生了從淺黃色、金黃色、淺棕色、深棕色再到黑色的變色現(xiàn)象。饒偉說(shuō)。
這樣一個(gè)奇特的現(xiàn)象引起了團(tuán)隊(duì)極大的研究興趣。為了對(duì)變色過(guò)程進(jìn)行有序的調(diào)控，我們進(jìn)一步剖析了這一變色現(xiàn)象背后深刻的科學(xué)機(jī)理，發(fā)現(xiàn)變色與液態(tài)金屬液滴表面電場(chǎng)電勢(shì)的高低有著密切的聯(lián)系，于是通過(guò)巧妙的環(huán)形電極設(shè)計(jì)，在金屬液滴表面形成了有序的電勢(shì)梯度，從而得到了五彩斑斕的色彩。饒偉表示。
科學(xué)的發(fā)現(xiàn)既有偶然性，又存在著必然性。饒偉認(rèn)為，正是實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期在液態(tài)金屬研究領(lǐng)域的積累，使得其團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了意料之外的神奇現(xiàn)象，對(duì)于非常規(guī)效應(yīng)的好奇和鉚足勁頭的深究正是科學(xué)探索的美妙之處。
液態(tài)金屬合金是關(guān)鍵
在柔性機(jī)器人的使用上，液態(tài)金屬可在電場(chǎng)、磁場(chǎng)及超聲等外場(chǎng)作用下誘發(fā)其一系列的旋轉(zhuǎn)、定向運(yùn)動(dòng)及合并斷裂再合并等復(fù)雜的行為模式。在電場(chǎng)控制下，可以實(shí)現(xiàn)比表面積變化達(dá)1000倍的可逆變換，這一超常的大尺度變形能力為可變形機(jī)器人的研制提供了十分便捷的條件。
室溫液態(tài)金屬是一類集金屬與流體特性于一體的多能性材料，作為一大類新興的功能材料，液態(tài)金屬最大的特點(diǎn)是打破了固體金屬和傳統(tǒng)流體材料之間的壁壘，可以在室溫下實(shí)現(xiàn)靈活的固液轉(zhuǎn)變，具備作為尖端材料的潛質(zhì)。饒偉表示，與傳統(tǒng)3D打印金屬材料、形狀記憶合金等材料相比，液態(tài)金屬具有高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱、流動(dòng)性、可化學(xué)修飾及室溫可變形等罕見(jiàn)的全能特征。
前不久，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)精密機(jī)械與精密儀器系副教授張世武研究團(tuán)隊(duì)與其他團(tuán)隊(duì)組成的聯(lián)合研究組，設(shè)計(jì)了基于鎵基室溫液態(tài)金屬的新型機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器，創(chuàng)造出液態(tài)金屬驅(qū)動(dòng)的功能性輪式移動(dòng)機(jī)器人。
這種液態(tài)金屬材料就是共晶鎵銦（EGaIn）的液態(tài)金屬合金，合金由75％的鎵和25％的銦組成，其熔點(diǎn)為15.5℃，在室溫下為液體。該液態(tài)金屬具有低黏度和高表面張力，類似于汞。然而與汞不同，EGaIn具有低毒性和可忽略不計(jì)的蒸氣壓，使其在實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)應(yīng)用中更為安全。張世武告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。
鎵銦合金作為液體，具備柔軟、可變形、可拉伸、可重構(gòu)，且可自我修復(fù)等特性；作為金屬，它們具有高的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。理化所研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)在溶液中引入表面張力的梯度,發(fā)現(xiàn)了它們前所未有的驅(qū)動(dòng)行為，利用其在微機(jī)電系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了軟發(fā)動(dòng)機(jī)。
饒偉評(píng)價(jià)說(shuō)，庫(kù)卡機(jī)器人，這項(xiàng)研究是利用電場(chǎng)調(diào)控封閉在狹長(zhǎng)輪體內(nèi)部的液態(tài)金屬變形來(lái)改變車輪的重心，從而驅(qū)動(dòng)車輪進(jìn)行滾動(dòng)。這項(xiàng)研究提供了一種構(gòu)造簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)裝置，或許可以解決柔性機(jī)器人動(dòng)力方面的一些問(wèn)題。
液態(tài)金屬機(jī)器人具備許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如簡(jiǎn)單的制造工藝、沒(méi)有傳統(tǒng)的移動(dòng)部件、易于維護(hù)和相對(duì)低的功耗等。張世武說(shuō)。
實(shí)現(xiàn)用途還有很多難題
實(shí)際上，設(shè)計(jì)出能以可控方式在不同形態(tài)之間自由轉(zhuǎn)換的機(jī)器，并創(chuàng)造出高智能設(shè)備代替人類執(zhí)行更為特殊高級(jí)或危險(xiǎn)復(fù)雜的任務(wù)，一直是全球科學(xué)界與工程界的一個(gè)夢(mèng)想。
軟體機(jī)器人擁有機(jī)動(dòng)靈活及強(qiáng)度可變等綜合特性，可使人類的感知和行動(dòng)延伸到無(wú)法接近且惡劣的環(huán)境中。饒偉舉例道，比如，在抗震救災(zāi)或軍事行動(dòng)中，此類機(jī)器人能根據(jù)需要適時(shí)變形，以穿過(guò)狹小空間并可重新恢復(fù)原形以繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)；在醫(yī)學(xué)實(shí)踐中，研制出可沿血管包括人體腔道自由運(yùn)動(dòng)，以執(zhí)行各種在體醫(yī)學(xué)任務(wù)的柔性機(jī)器人，是電子機(jī)械與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)前沿共同追求的十分現(xiàn)實(shí)的重大科學(xué)目標(biāo)，極具臨床價(jià)值。
雖然應(yīng)用前景向好，但液態(tài)金屬柔性機(jī)器人仍面臨著很多挑戰(zhàn)和難點(diǎn)。饒偉介紹，現(xiàn)階段，柔性機(jī)器人多是單一的運(yùn)動(dòng)模式，如蠕動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、彎曲爬行、逆重力攀爬、大尺度變形等，在多任務(wù)之間靈活切換的智能機(jī)器人研究方面仍有很多難點(diǎn)。除功能單一外，柔性機(jī)器人的結(jié)構(gòu)也較為簡(jiǎn)單，發(fā)展類生物體的功能和結(jié)構(gòu)共融一體化的柔性機(jī)器人，也面臨諸多難題。
可變色的柔性機(jī)器人在軍事領(lǐng)域極具應(yīng)用價(jià)值，目前的軍事偽裝手段一般是靜態(tài)的，很難根據(jù)季節(jié)和現(xiàn)場(chǎng)情況的變化進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，某些特殊情況下的偽裝由于不能實(shí)時(shí)變化，反而容易暴露目標(biāo)。發(fā)展可根據(jù)環(huán)境變化而變色的柔性機(jī)器人，極具軍事顛覆性。饒偉說(shuō)。