材料+說:液態金屬再獲突破 變形機器人有望制造
2016年11月28日 8:52 3828次瀏覽 來源: 中國有色金屬報 分類: 新材料前沿 作者: 韓碩
11月11日,中國科學院理化技術研究所低溫生物與醫學研究組首次發布了液態金屬可在石墨表面以任意形狀穩定呈現的自由塑型效應,并實現了逆重力方式的攀爬運動的研究成果。
該研究成果是首次發現通過引入石墨基底,可靈活自如地將處于電解液環境中的液態金屬塑造成各種銳利圖案如條形、三角形、方形、環形以及更多任意形狀。
迄今,液態金屬雖可通過外加電場短暫改變形狀,然而一旦去除外場,液態金屬即會在其表面張力作用下迅速回縮成球形,無法維持先前的結構。此項研究的負責人劉靜介紹,此次發現的液態金屬自由鋪展與塑型效應,為柔性變形機器人的研制乃至4D打印等提供了新方向。
該項研究首次實現了在開放液體環境中的液態金屬自由塑形,突破了原有的液態金屬元件調控模式,在不定形柔性電子器件、可變形智能機器的設計乃至先進制造方面有重要價值。
基于石墨表面的液態金屬自由塑形效應,研究人員探索了電場作用下,液態金屬不同于傳統基底材料如塑料、玻璃等情形的豐富物理化學圖景,初步揭示了其獨特的變形及匍匐運動行為的內在機制。有趣的是,劉靜研究組還首次揭示出處于自由空間下的電控液態金屬的蠕動爬坡能力,實現了逆重力方式的運動。而采用常規材料,液態金屬會因自身重力較大且表面光滑難以攀爬的緣故,不易通過外電場實現逆重力牽引。劉靜指出:“新發現擴展了近年來興起的液態金屬柔性機器的理論與技術內涵。”
“液態金屬”指的是一種不定型金屬,可看作由正離子流體和自由電子氣組成的混合物,是一種有黏性的流體,具不穩定性。它可通過充型過程,形成各種鑄件。在液態金屬與水體交界面上的雙電層效應,可以令室溫液態金屬具有在不同形態和運動模式之間轉換的普適變形能力。比如,浸沒于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;一塊很大的金屬液膜可在數秒內即收縮為單顆金屬液球。
事實上,劉靜實驗組不只在這次研究上獲得重大成果,在液態金屬的研究領域,劉靜實驗組一直都處于世界的前列。
2013年6月,把液態金屬做成打印“墨水”,劉靜團隊首次研發出紙上直接生成電子電路的技術;2014年,團隊又研發出世界首臺室溫液態金屬打印機,借助該設備,只需在計算機上設定程序,就可以“打”出個性化的電路系統;2015年初,劉靜帶領的團隊造出世界首臺液態金屬機器的信息引起《科學》等權威網站的關注,被形容為制造出“終結者”。該研究成果為研制實用化智能馬達、血管機器人、流體泵送系統、柔性執行器乃至更為復雜的液態金屬機器人奠定了理論和技術基礎。
10多年來,由中科院理化所研究員劉靜帶領的團隊圍繞液態金屬開展了大量原創性探索,在芯片冷卻、先進制造、電子技術、生物醫療及柔性機器等領域取得重大突破。團隊迄今已發現30類以上具有重要科學意義的液態金屬基礎現象或效應,研發出數十種實用技術,在包括北京、云南、廣東等地在內的全國范圍內推動產業化,先后促成了領先性液態金屬產品生產線、研發中心及科技館的建設落成,多種產品進入市場,提出的創建液態金屬谷乃至發展液態金屬全新工業體系的構想也正從理想變成現實,成果在海內外學術界和工業界產生重大影響。
近些年,劉靜團隊一直在致力于聯合工業界推動液態金屬產業化應用。劉靜曾表示:“我們有幸在液態金屬研究上走在世界前頭,但在產業方面不能落后,我們要把握歷史機遇,幫助我國建成世界級的液態金屬谷。”
隨著科技的不斷進步,液態金屬已經走進了我們的視野,但擁有液態金屬就意味著能制造出“變形機器人”嗎?
理想情況下,利用這項技術,人們無需對機器人進行如何的塑形,只需要按照一定程序來改變水的酸堿成分,金屬就能自行達到既定的形狀。這項技術達到一定程度之后將徹底改變鋼材的應用范圍。比如當無人機需要穿越一個較為低矮的地方,如果采用了這種液態金屬之后,它可以瞬間變成扁平狀,一舉飛躍障礙。
當然這項技術還有很長的路要走,短時間內想要實現它是不可能的。建造液態金屬機器人所需要的編程復雜性將遠超目前的方法。更困難的是,想要達到“變形機器人”的這種高度,勢必要求內部的所有智能設備也必須采用液態金屬,就目前的情況來看,我們還找不到一項合適的技術能夠解決。(韓碩)
責任編輯:于璐
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