液态金属机器的自驱动动力发生方式

可自驱动运动的微纳米合成型医疗机器，在运动方面与生物体有许多类似之处，如自行运动，对运动路径看似有自己的意识，按照自己的轨迹前行，在药物运输、智能传感等诸多领域开辟了全新道路。将机器设计为不对称结构，可实现机器在溶液环境中自驱动运动［2］。当下，微观尺度下的自驱动机器已有大量的研究，并取得很大进步。

基于柔性材料的机器可以进行变形，从而可在一些特别条件下执行特殊任务。现有的自驱动柔性机器多采用有机溶液制成。自然界中生物体通过消耗自身能量进行自主运动很普遍。与此相似，以下案例表明［2］，通过给液态金属机器摄入一定量的物质，可实现液态金属机器自驱动运动，不依赖任何外部能量的供应。

实验选用不同量的液态金属EGaIn合金，将其放入一个装有水溶液的培养皿或槽道中。剪取小块铝片，用镊子夹取铝片，使铝片与EGaIn合金接触。接触几秒钟后，铝片一部分进入EGaIn合金内部，与EGaIn合金紧密黏附，另一部分与溶液接触，不断产生气泡。2 min后，气泡从Al-EGaIn接触位置快速释放，盘旋离开EGaIn小球（图14.20），随后形成的Al/EGaIn机器便开始自驱动运动，运动方向始终与Al所在位置相反。

图14.20　NaOH溶液中EGaIn与铝片接触后反应产生气泡［2］

该现象发生的原因是因为［2］，NaOH溶液中，铝片与EGaIn合金相接触一段时间后，由于铝容易与EGaIn发生金属间的腐蚀，因而铝片会牢牢贴附在EGaIn上。根据Rebinder效应，EGaIn合金可以穿透铝片，破坏铝片表面的氧化层，使铝活化，易与溶液发生化学反应。在NaOH溶液中，铝片可以化学溶解，产生氢气。气泡离开方向与自驱动运动方向相反，看似是气泡的离开推动Al/EGaIn机器运动。如图14.21所示，将铝球表面一部分粘贴透明胶带，置于NaOH溶液中，观察到铝球未粘贴透明胶带的部分有气泡产生，但铝球没有运动；增加NaOH溶液的浓度，气泡产生速率加快，但铝球仍未运动。实验表明气泡的离开产生的力不足以驱动固体球的运动。

(www.xing528.com)

图14.21　铝球表面部分覆盖后与NaOH溶液反应［2］

影响液态金属机器自驱动运动性能的因素很多，如机器的体积、铝的用量、运动基底与槽道环境、溶液成分与浓度、溶液温度等［2］。图14.22a为Al/EGaIn机器自驱动运动过程中受力示意。理论上，Al/EGaIn机器自驱动运动的动力来源于气泡释放产生的反冲力fb，电化学反应产生的驱动力fp，运动阻力主要来自溶液的阻力fv以及摩擦阻力fs。其中，反冲力fb与气泡释放的速度有关，而气泡产生释放速度与溶液浓度及温度有关。一定范围内，溶液浓度和温度越高，化学反应越快，气泡产生与释放也越快。驱动力fp与电化学反应速度有关，本质上受溶液浓度与温度的影响，溶液浓度和温度越高，电化学反应越快，则驱动力越大。阻力fv与机器的运动速度、溶液黏度和机器体积有关。当机器运动速度、溶液黏度及机器体积越大，则阻力fv越大。摩擦阻力fs与机器的质量（或体积）及槽道的粗糙度有关。

图14.22　NaOH溶液中EGaIn与Al的电化学反应［2］

a.Al与EGaIn组成原电池发生反应；b.反应引起OH-/H2O向Al所在的位置流动。

液态金属机器的自驱动运动仅通过Al与液态金属及溶液间的电化学反应提供能量，简单高效。此外，机器也可在NaCl和Na2CO3溶液中自驱动运动，运动受溶液成分、溶液浓度、运动空间及机器体积等因素的影响。液态金属机器自驱动运动的实现，使之向柔性医疗机器迈进一大步。