新一代液态金属柔性智能机器人问世

在自然界，设计出能以可控方式在不同形态之间自由转换的机器，并创造出高智能设备代替人类执行更为特殊高级或危险复杂的任务，一直是全球科学界与工程界的一个梦想。此方面，软体机器人拥有机动及强度可变等综合特性，可使人类的感知和行动延伸到无法接近的恶劣环境中，是传统刚性机器人概念和功能上的革新，在实现非结构化环境中开放式任务以及在与包括人类在内的生物体之间接口等方面具有重大优势。比如，在抗震救灾或军事行动中，此类机器人应能根据需要适时变形，以穿过狭小空间并可重新恢复原形以继续执行任务，这种在科幻电影《终结者》中出现的机器人所拥有的超能力，曾一度带给人们无限想象。实际上，在医学实践中，研制出可沿血管包括人体腔道自由运动，以执行各种在体医学任务的柔性机器人，一直是电子机械与现代医学前沿共同追求的现实科学目标，极具临床价值。不难看出，超越了传统模式的可变形机器人所涉及的研究范畴极为丰富，覆盖了从生物学、物理学、材料、机械到电子学等广泛领域，应用对象则见于各行各业，研究内涵颇具交叉特色。

纵观当前软体机器人发展水平，无论是结构还是功能仍较为简单，离实际应用还有较远距离。学术界普遍认为，软体机器人技术一旦突破，必定给高端制造、医疗康复、国防安全等领域带来巨大影响。近十年，各种形态软体机器人技术相继被提出。尽管有关进展层出不穷，但软体机器人无论是材料、制动还是功能等都存在巨大挑战。“软体”是软体机器人最本质的特征之一，而当前软体机器人难以同时实现结构与功能的“软体”特质，特别是在柔性感知能力方面。刚性机器人可结合先进传感技术实现与环境及人直接相互作用，这些传感技术通常带有显著的“刚性”属性。这些先进传感技术一旦嫁接到软体机器系统中，必然会破坏其软体属性。因此，建立一个软体机器人变形与柔性感知能力统一的技术框架，是未来软体机器人技术需要解决的关键难题之一。

基于在液态金属领域多年来的持续研究，笔者的实验室从全新体系出发，开创性地提出了突破传统技术理念的液态金属软体机器人思想，从材料、器件到系统等方面逐步构建出相应的理论与技术体系。在这一探索进程中，比较关键的标志性事件之一是首次揭示出电场调控下液态金属呈现的一系列非同寻常的大尺度变形、旋转、定向运动及合并、断裂—再合并行为，这实际上促成了后续液态金属可变形机器人研制的开端。进一步地，研究团队于世界上首次发现了一种异常独特的现象和机制，即液态金属可通过吞噬微量铝形成自驱动全柔性机器或马达，速度达每秒厘米级且运行时间高达几小时，实现了无须外部电力的自主运动。这种自驱动液态金属组成的微马达群可在电场中形成高速的协同运动特性，系列工作为研制实用化智能马达、血管机器人、流体泵送系统、柔性执行器乃至更为复杂的液态金属机器人奠定了理论和技术基础。此外，结合液态金属与刚性材料（如铜棒），还可实现固液组合机器，包括可实现运动起停、转向和加速的磁性固液组合机器。而采用电控可变形旋转的“液态金属车轮”，可驱动3D打印的微型车辆，实现行进、加速及更多复杂运动。研究还发现，液态金属可在石墨表面以任意形状稳定呈现的自由塑型能力，可由此实现液态金属逆重力方式的蠕动爬坡运动，这种超常的尺度变形及爬行特性为可变形机器人研制提供了便捷的条件。然而，液态金属的奇异行为还远不止这些，其具有类似于生物界胞吞效应，即吞噬微/纳尺度金属颗粒的现象。更多的原理性实验表明，液态金属可以呈现出几乎所有形态的变形和运动方式。若将液态机器单元予以分组编程，将为可控型柔性智能机器人的实现建立起十分现实可行的技术途径（图1.24），这将一改传统机器人的面貌。

图1.24　由液态金属基础发现展现出的部分可能机器人形态(www.xing528.com)

进一步地，中科院理化所与清华大学联合科研小组，基于其长期以来对液态金属变形效应、经典流体研究特别是液态金属在柔性机器人领域的基础探索，首次系统地提出了一种旨在研制未来尖端柔性机器人的一般原则，即液体集成。相应工作以前瞻性论文形式应邀发表于Wiley旗下期刊Advanced Intelligent Systems上［T. Y. Liu， P. Qin， J. Liu， Intelligent Liquid Integrated Functional Entity （I-LIFE）：A Basic Way to Innovate Future Advanced Biomimetic Soft Robotics， 2019；https：//doi.org/10.1002/aisy.201900017］，并被选为期刊正封面故事。

自然界动物无与伦比的运动能力，长久以来始终激励和启发着人类去打造更为先进的机器人。在迄今已被逐步认识和借鉴的动物形体结构之外，还有哪些重要线索值得人类去学习效仿呢？实际上，只要将人造机器与自然所创造的生命作一对比，就会发现后者体系内总是充满了大量液体成分如水。正因如此，人类在寻找宇宙生命时，一般都将能否找到水作为生命存在与否的基本判据。正是液体这种精灵般物质的存在，将生物界与了无生气的机器界从根本上区别了开来。那么，生物体特别是动物体内遍布全身的液流系统，会否是引领机器人变革但却长期被严重忽视的基本技术源泉呢？也就是说，要研制前所未有的性能卓越的仿生柔性机器人，或许应该深刻领悟到生物体液系统所提供的重大启示。最近，联合小组在这一全新机器人设计原则与基础技术理念的认识上取得突破。

在此项工作中，作者们指出，自然界众多巧夺天工的水相内环境生命设计策略完全值得充分借鉴和效仿。沿此基本思想，可发展出一系列变革性机器人设计思路，未来柔性机器人体内将拥有一系列如同生命体系那样贯穿全身的液体功能单元，并能以无缝方式将整个机体及功能集成到一起，作者们为此将其命名为智能液体集成功能体（I-LIFE Intelligent Liquid Integrated Functional Entity），其缩略语也取“我·生命（I-LIFE）”之意。如果说传统的硅集成电路是固体集成的话，这里的集成则属于液体集成，二者目标均在于借助某种统一载体将各种功能单元集成到一起，不同的是前者形成的是芯片，后者则实现的是机器人高级功能单元，类似于仿生型“组织体液”“血液循环系统”“组织”“器官”等。

机器人液体集成理论体系具备五方面典型功能，即运动、能量供应、结构调控、传感和智能控制，液体系统可充分介入各层面发挥特定作用。可作为I-LIFE候选液体的潜在对象。如：磁流变液体、液态金属、离子液体和水等，其各有特定的技术应用特点。总的来说，液体集成（I-LIFE）的提出，可望促成柔性机器人研制理念的变革，在此方向上今后还有望发展出更多的理论与技术路线，从而为研制接近动物和人体功能的全新一代尖端柔性机器人打下坚实基础。

液态金属的大量基础发现为可变形体特别是软体机器的设计和制造开辟了全新途径，奠定了新一代可变形机器的理论基础，具有重大的科学意义和深刻的应用前景。由于这些发现的基础突破性和技术价值、成果在国际上引起重大反响，有关发现被Nature、Nature Materials、Science News、New Scientist、Discover、Phys.org、Chemistry World等广泛评介，被认为预示着软体机器人的新时代，液态金属机器人被列为机器人领域最具发展潜力的十大方向之一。迄今，机器人大多仍以一种刚体机器的形式发挥作用，这与自然界中的人或动物有着平滑柔软的外表以及无缝连接方式完全不同。液态金属机器的问世引申出了全新的可变形机器概念，将显著提速柔性智能机器的研制进程。当前，全球围绕先进机器人的研发活动正处于如火如荼的阶段，美国国家自然科学基金会仅在2017年设立的单项软体机器人项目经费就高达2600万美元。若能充分发挥液态金属所展示出的各种巨大潜力，并结合相关技术，将引发诸多超越传统的机器变革。