电场控制下的液态金属多变形现象及柔性机器效应

笔者实验室Sheng等［1］，首次发现电场控制下液态金属与水的复合体可在各种形态及运动模式之间发生转换的基本现象。实验揭示，常温液态金属具有可在不同形态和运动模式之间转换的普适变形能力。比如，浸没于水中的液态金属对象可在低电压作用下呈现出大尺度变形（图14.2）、自旋、定向运动，乃至发生液球之间的自动融合、断裂再合并等行为，且不受液态金属对象大小的限制。较为独特的是，一块很大的金属液膜可在数秒内收缩为单颗金属液球，变形过程十分快速，而表面积改变幅度可高达上千倍。此外，在外电场作用下，大量彼此分离的金属液球可发生相互粘连及合并，直至融合成单一的液态金属球；依据于电场控制，液态金属极易实现高速的自旋运动，并在周围水体中诱发出同样处于快速旋转状态下的漩涡对；若适当调整电极和流道，还可将液态金属的运动方式转为单一的快速定向移动。研究表明，造成这些变形与运动的机制之一在于液态金属与水体交界面上的双电层效应。以上丰富的物理学图景革新了人们对于自然界复杂流体、软物质，特别是液态金属材料行为的基本认识。应该说，这些超越常规的物体构象转换能力很难通过传统的刚性材料或流体介质实现，它们事实上成为用以构筑可变形智能机器的基本要素，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。

图14.2　电场控制下的液态金属大尺度变形以及液态金属球之间的粘连与融合现象［1］(www.xing528.com)

由于上述发现的科学突破性和实际应用价值，其先期成果以“液态金属变形体”为题公布于物理学预印本网站arXiv时，很快就在国际上引起广泛热烈的讨论，一度被多达上百个科学或专业网站予以专题报道和评介。业界普遍认为，这一“液体机器预示着柔性机器人的新时代”，“这些先驱性工作或让液态金属‘终结者’成真”，有关军事网站还以“中国正在测试自我打印机器人”为题进行了报道。而Advanced Materials的几位审稿人在评阅论文时，认为所揭示的现象“令人着迷”，“注定会成为重要的研究领域”。

迄今，机器人大多仍是作为一种刚体机器发挥作用，这与自然界中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。柔性机器作为新的发展前沿，已促成多类型机器人的发明，但离理想中的高级机器所应拥有的柔软和普适变形能力还有很大距离。中国小组的发现，为可变形材料特别是液体机器的设计和制造迈出了关键性的一步，一定程度上从理论和技术的层面论证了实现液态金属机器人的可能性；事实上，该研究已打开了系列已趋现实的应用范畴，如制造柔性执行器，控制目标流体或传感器的定向运动、金属液体回收，以及用作微流体阀、泵或更多人工机器等。若采用空间架构的电极控制，还可望将这种智能液态金属单元扩展到三维，以组装出具有特殊造型和可编程能力的仿生物或人形机器；甚至，在外太空探索中的微重力或无重力环境下，也可发展对应的机器来执行相应任务。