液态金属与外骨骼应用技术探讨

液态金属材料是熔点在室温范围内的一大类金属材料的统称，常见的金属类型包括镓Ga、镓铟合金GaIn以及铋铟锡合金BiInSn等。目前，液态金属材料已经被广泛地用于高性能散热、尖端医疗设备、3D打印以及柔性电子等领域。充分利用液态金属高导电、高导热，以及可变形的特点，可以促进外骨骼技术的研发，推动外骨骼的实用化以及普及程度，进而产生巨大的社会及经济效益。液态金属在外骨骼研发中可能的结合方向如下。

（1）使用液态金属直接作为防护结构

液态金属的熔点可以根据成分的不同在-20～100℃进行调节，该熔点范围包含了人体体温范围，应用于外骨骼中，可以直接将液态金属作为防冲击材料，通过固液相变获得不同的防护等级或者穿戴的灵活性。由于液态金属的密度较大，在冲击过程中可以产生形变，同时温度升高，进而吸收外部能量，避免穿戴者遭受损伤。在战场环境以及较为恶劣的工业生产环境中，可以实现外骨骼对人体的保护。

（2）液态金属作为柔性导线

外骨骼需要与人体紧密贴附，故而有大量的可动部件，在运动过程中关节位置等会反复弯折，如果通过传统的铜导线及电路板等在各可动部件之间传递信号，容易因为金属疲劳等产生断裂，而液态金属导线因为其自身可以流动的特点，一方面不会产生金属疲劳，另一方面在出现裂痕后也能够自行修复弥补，避免功能失效。

（3）液态金属射线屏蔽

外骨骼的作业场合，如战场或者工业生产中，有时会出现强辐射危害，包括强电磁辐射、微波辐射或者重粒子辐射等，传统的保护方式为金属屏蔽罩，或者铅衣，但金属屏蔽罩无法实现人体的跟随运动，因而不能应用于外骨骼系统中。铅衣虽然有一定的灵活性，但还是非常沉重，对穿戴者的活动会造成明显的限制。利用液态金属印刷工艺，可以在布料等的表面制成较薄的一层金属，从而起到对辐射的屏蔽作用，与外骨骼相结合，可以在不降低外骨骼的便携性的情况下增强外骨骼的适用场合。

（4）柔性天线

对于单兵作战系统，保持战场环境中的通信能力对于提高部队战斗力以及生存力都有着极大的帮助，这其中天线发挥了关键作用，一方面天线可以发送信号，同时经过合理设计的天线结构也可以作为信号侦查工具。传统硬质天线只能实现伸缩，不能实现变形。利用液态金属与柔性材料，可以实现可重构的天线结构，对于战场生存以及提高战斗力有着重要的意义。

（5）生理传感器 (www.xing528.com)

研究中已经发现，液态金属经过设计可以作为多种生理信号的传感器使用，包括温度、压力以及生理电信号等，如前文中所述，由于外骨骼实现人体的跟随运动需要对人体姿态进行感知，故而液态金属传感器也是外骨骼系统研究中的重点。

（6）液压驱动工质

对于主动外骨骼系统，需要有驱动部件，传统上都是利用电机实现，但电机本身的输出功率与其重量之间很难平衡。为了解决这一矛盾，液压装置逐渐应用于部分外骨骼装置中。由于其将执行器与驱动器分离，所以能更好地实现重量的分配。通常液压装置使用液压油作为驱动工质，液态金属具有高密度以及良好的流动性，也有作为替代工质的可能性。

（7）液态金属3D打印作为外骨骼结构

由于外骨骼的特殊性，对结构件的设计与加工也提出了较高的要求，利用拓扑优化可以在保持强度的情况下减轻零件的重量，但相应的其结构往往具有一定的仿生特征，例如具有大量的曲面或者镂空等，进而导致加工复杂。利用3D打印可以降低加工复杂度，液态金属由于熔点较低，可以作为一种低成本的金属打印方案，用于外骨骼零件制造中。

（8）液态金属复合材料作为骨科外固定支具

随着我国加速进入老年化社会，患有关节疾病、运动功能障碍老年人患者日益增多。针对残疾人、老年人等运动障碍患者的功能锻炼及恢复，急需开发具有辅助支撑保护、助力、助残等康复治疗的柔性外骨骼产品。云南迈特力医疗技术有限公司基于液态金属的低温熔塑特性，研发出液态金属复合材料骨科外固定支具系列产品，解决了传统骨科外固定支具的痛点，并完成了临床验证，相关产品已进入临床应用（图5.10）。该类产品相比传统骨科外固定产品具有热塑形温度低、任意塑形贴合、质量轻、透X光、形状温控记忆性好等显著优势。

图5.10　液态金属骨科外固定支具用于临床（左图）及显影效果（右图）

综上，外骨骼作为机器人领域中最具有综合性的系统，获得了广泛的关注，其产业化速度也逐渐加快。而液态金属作为一种在机械、电子、流体以及传热等领域都有着重要作用的多维度材料，与外骨骼相结合具有广阔的发展空间，除了以上举例的应用方向之外，还有更多的潜在可能需要科学以及产业界的共同助力。