可变形机器人和液体机器的新进步

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，以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。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，以穿过狭小的通道、门缝乃至散布于建筑物中的空洞（进入目标内部的途径），之后再重新恢复原形并继续执行任务，这种在科幻影片中所描述过的机器人所拥有的超能力，曾一度带给人们无限的想象。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，就一直是电子机械与现代医学前沿共同追求的十分现实的重大科学目标，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生动丰富，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。至今，科学界发展出了各种各样的柔性机器原理，控制手段则涉及诸如光、磁场、仿生以及电学等形式，然而，由于受传统材料的限制，相应努力在朝向可变形功能方面的探索上始终面临瓶颈。

显然，要实现仿生物乃至人体型态及功能的机器人，必须最大限度地突破已有的技术理念，以彻底改观传统模式。科学界为此作出了一系列极具未来色彩的重要努力。2002年，美国卡内基·梅隆大学的科研人员提出了一项颇富想象力的探索，即“电子黏土”项目，旨在创造出在人工控制下，机器可任意改变形状、大小及预设特征的技术，研究者构想通过程序控制，实现相应电子黏土的移动及相互粘连，进而借助成千上万电子黏土组件，构建出令人难以想象的复杂物体并实现各种功能。遗憾的是，上述理念更多是建立在想象而非现实技术上，迄今并未找到理想的可行方案。不过，围绕可变形机器的研究却从未间断。2007年前后，美国国防先进技术研究计划署（DARPA）启动了一场旨在以研制柔性“化学机器人”（ChemBot）为目标的科学竞赛，并为Tufts大学提供了一项高达330万美元的研究合同，力求寻找新型材料并设计出机器人构造图，使其不但能够自由行动，还可以在诸如电磁场、声音和化学制剂等作用的影响下改变形状，这类机器人可以从事一系列诸如探索复杂空间、顺绳索攀行、爬树等活动。业界普遍认为，一旦这样的技术得以成立，其对人类活动所作出的贡献，将远远超过现有的机器人。不过，由于受材料的限制，这一探索也尚未在研制可呈现各种形状机器人方面显示出实质性突破。

近期，在围绕先进机器的探索中，学术界还出现了更多创新思潮。其中，美国MIT科研人员提出了一种被称作4D打印的概念，目标旨在实现材料的自我变形和组装，相应研究在国际上引起轩然大波和反响。与此同时，美国哈佛大学、匹兹堡大学与伊利诺伊大学香槟分校组成的联合团队也从军队研究办公署（Army Research Office）获得一项大额资金资助，目标直指可改变材料形状的技术，有关研究正加紧推进中，不过其思路仍着眼于通过改变常规材料着手。2014年初，互联网巨头美国Google公司收购了多家与智能机器人有关的技术公司，并坚定地认为，智能机器人将是未来的技术制高点和经济增长点。显然，在最为高级的智能机器人中，具备可变形和柔性特征是极为关键的一环。这些态势均说明高级机器人所兼有的科学意义和应用前景。

总的说来，回顾以往人类构想过的各种先进机器雏形，最让人印象深刻者莫过于美国好莱坞科幻影片《终结者》中始终不能被击败的全液态金属机器人，这种可以改变外表形状，呈现各种造型，未来色彩极为浓厚的机器，虽纯属科学幻想，却使我们对机器人的概念有了根本性改变。那么液态金属机器人在理论和技术上是否真的可能呢？这样的疑问和技术实现的可行性，应该说在以往的确很难回答。然而，随着近期在液态金属领域取得的一系列突破性进展，使得实现相应技术在理论上逐渐变得明朗起来。(www.xing528.com)

笔者实验室在常温液态金属领域10多年的持续研究表明，外场控制下的常温液态金属会诱发出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，而这正是可变形机器人所必备的基本要素。比如，液态金属薄膜可在电场作用下收缩为表面积仅为最初状态数千分之一的微小球体，且变换过程相当快速，数秒内即完成转换。前期系列实验发现，常温液态金属对象在不同构象之间表面积的变化可从数十倍到上千倍，这种超常的尺度变形能力为可变形机器人研制提供了十分便捷的条件。然而，液态金属的奇异行为还远不止这些。比如，同样在外电场作用下，大量彼此分离的金属液滴会发生粘连合并，继而组合成一个单一的液体金属球。更多的原理性实验还表明，常温液态金属可以呈现出几乎所有形态的变形和运动方式，依据于特殊设置的电场，液态金属会发生可控的自旋转动及定向运动。除了作为构筑机器人的基本单元外，相应技术在液态金属收集以及液体或其他物体的操控方面也颇具应用价值。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，这将一改传统机器人的面貌。应该说，这些特殊变形功能采用刚性材料或传统的流体物质几乎无法做到。

以上基础发现为可变形体特别是液体机器的设计和制造开辟了全新途径，初步确立了新一代可变形机器的理论基础，具有前沿科学意义和深刻的应用前景。本章简要展示相关发现和技术进展。