設(shè)計出能以可控方式在不同形態(tài)之間自由轉(zhuǎn)換的機器，并創(chuàng)造出高智能設(shè)備代替人類執(zhí)行更為特殊高級或危險復(fù)雜的任務(wù)，一直是全球科學(xué)界與工程界的一個夢想。
■本報記者 貢曉麗
柔性機器人作為一個新興領(lǐng)域，從機械學(xué)、物理學(xué)到生物學(xué)，都已獲得越來越廣泛的關(guān)注。然而具有剛性對應(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)出了在外加電場和犧牲金屬的刺激下變形和運動的能力，在柔性機器人領(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道了液態(tài)金屬表面在犧牲金屬或電場的刺激下可產(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物的柔軟、可變形變色的特點。
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ACS Applied Materials & 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光路的調(diào)控。”采訪中，饒偉向《中國科學(xué)報》記者詳細(xì)解釋了變色原理，在犧牲金屬和外加電場的控制下，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，與光的波長量級相當(dāng)。
在電場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,沒有發(fā)生薄膜干涉，同時由于氧化膜內(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)的進行，氧化膜下表面的液態(tài)金屬上會產(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，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。
“其實這是一個十分偶然而又有趣的實驗現(xiàn)象。”饒偉介紹研發(fā)過程時表示，理化所低溫生物與醫(yī)學(xué)實驗室在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偽足發(fā)生形變，猶如神奇的變形蟲。
“我們在重復(fù)這一實驗過程中，無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。
這樣一個奇特的現(xiàn)象引起了團隊極大的研究興趣。“為了對變色過程進行有序的調(diào)控，我們進一步剖析了這一變色現(xiàn)象背后深刻的科學(xué)機理，發(fā)現(xiàn)變色與液態(tài)金屬液滴表面電場電勢的高低有著密切的聯(lián)系，于是通過巧妙的環(huán)形電極設(shè)計，在金屬液滴表面形成了有序的電勢梯度，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，正是實驗室團隊長期在液態(tài)金屬研究領(lǐng)域的積累，使得其團隊發(fā)現(xiàn)了意料之外的神奇現(xiàn)象，“對于非常規(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
在柔性機器人的使用上，液態(tài)金屬可在電場、磁場及超聲等外場作用下誘發(fā)其一系列的旋轉(zhuǎn)、定向運動及合并—斷裂—再合并等復(fù)雜的行為模式。在電場控制下，可以實現(xiàn)比表面積變化達1000倍的可逆變換，這一超常的大尺度變形能力為可變形機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、流動性、可化學(xué)修飾及室溫可變形等罕見的全能特征。
前不久，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)精密機械與精密儀器系副教授張世武研究團隊與其他團隊組成的聯(lián)合研究組，設(shè)計了基于鎵基室溫液態(tài)金屬的新型機器人驅(qū)動器，創(chuàng)造出液態(tài)金屬驅(qū)動的功能性輪式移動機器人。
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的蒸氣壓，使其在實驗室和工業(yè)應(yīng)用中更為安全。”張世武告訴《中國科學(xué)報》。
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。理化所研究團隊通過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)動行為，利用其在微機電系統(tǒng)中實現(xiàn)了“軟發(fā)動機”。
饒偉評價說，這項研究是利用電場調(diào)控封閉在狹長輪體內(nèi)部的液態(tài)金屬變形來改變車輪的重心，從而驅(qū)動車輪進行滾動。“這項研究提供了一種構(gòu)造簡單的驅(qū)動裝置，或許可以解決柔性機器人動力方面的一些問題。”
“液態(tài)金屬機器人具備許多獨特的優(yōu)點，如簡單的制造工藝、沒有傳統(tǒng)的移動部件、易于維護和相對低的功耗等。”張世武說。
實現(xiàn)用途還有很多難題
實際上，設(shè)計出能以可控方式在不同形態(tài)之間自由轉(zhuǎn)換的機器，并創(chuàng)造出高智能設(shè)備代替人類執(zhí)行更為特殊高級或危險復(fù)雜的任務(wù)，一直是全球科學(xué)界與工程界的一個夢想。
軟體機器人擁有機動靈活及強度可變等綜合特性，可使人類的感知和行動延伸到無法接近且惡劣的環(huán)境中。饒偉舉例道，比如，在抗震救災(zāi)或軍事行動中，此類機器人能根據(jù)需要適時變形，以穿過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)實踐中，研制出可沿血管包括人體腔道自由運動，以執(zhí)行各種在體醫(yī)學(xué)任務(wù)的柔性機器人，是電子機械與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)前沿共同追求的十分現(xiàn)實的重大科學(xué)目標(biāo)，極具臨床價值。
雖然應(yīng)用前景向好，但液態(tài)金屬柔性機器人仍面臨著很多挑戰(zhàn)和難點。饒偉介紹，現(xiàn)階段，柔性機器人多是單一的運動模式，如蠕動、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器人研究方面仍有很多難點。除功能單一外，柔性機器人的結(jié)構(gòu)也較為簡單，發(fā)展類生物體的功能和結(jié)構(gòu)共融一體化的柔性機器人，也面臨諸多難題。
可變色的柔性機器人在軍事領(lǐng)域極具應(yīng)用價值，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)場情況的變化進行相應(yīng)調(diào)整，某些特殊情況下的偽裝由于不能實時變化，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器人，極具軍事顛覆性。”饒偉說。
