液态金属过渡态机器变形及运动效应分析

通过融合，自驱动液态金属机器可大可小。Sheng等［8］揭开了一类基于自主运动型液态金属马达群的碰撞和融合行为的过渡态机器效应（图14.26），展示了这种崭新的机器形态过渡态机器的有趣行为。相应实验发现了一种快速制造大量运动马达的方法，当这些马达被制造出来之后，它们会在溶液里面快速运动，每一个小马达均具备快速运动的能力。这些小的马达在运动过程中，可以相互合并继而形成一个较大的马达，而这个大的马达依然具有小马达的功能，即可以快速运动。由于这些马达既可以作为一个独立的个体运动，也可以作为一群小马达独立运动，而这些小的马达群还可以由大的马达分身而来，在分身后，通过马达群中小马达的碰撞和合并，又可以再度合并成一个大的马达。这意味着，它们可以在各种形态中转换和过渡。Sheng等［8］由此定义了一种全新概念的机器，即过渡态机器，其既可以自行运动，也可以分身运动。

图14.26　液态金属马达机器群过渡形态［8］

此前，笔者实验室曾首次发现并证实“仿生型自驱动液态金属软体动物”，以及无槽道式制备金属微粒的方法，结合了上述特殊性质，我们提出了可以快速制备大量液态金属机器群的方法［8］，并发现这些处于NaOH溶液中的微小“软体动物”之间具有碰撞、吸引、融合、反弹等一系列有趣行为。较为独特的是，一个较大的“软体动物”可以再外力辅助下瞬间分身为众多四处奔跑的微小马达，它们经过一段时间的融合，最终又可归并成最初的大个“软体动物”，在此过程中无论体积大小，这些“软体动物”均保持相同属性。这一发现为未来研制可自我组装和分身的软体机器人提供了一种重要启示。

这种自主型液态金属机器的动力机制来自两方面［8］：一方面发生在液态合金、金属燃料及电解液间的伽伐尼电池效应会形成内生电场，从而诱发液态金属表面的高表面张力发生不对称响应，继而对易于变形的液态金属机器造成强大推力；另一方面，上述电化学反应过程中产生的氢气也进一步提升了推力。正是由于这些液态金属机器群自身带电，在NaOH溶液中他们才相互吸引、碰撞，并排列出不同的组合，在这一过程中不同的液态金属机器通过离子交换信息，最终达到平衡后再度融合到了一起。进一步的研究表明，这些液态金属机器在融合的过程中不断运动，在环形槽道中如果有两群液态金属机器，它们并不是朝着单一的方向运动，而会以圆环的某一位置为中心做有规律的摆动。(www.xing528.com)

液态金属机器的工作方式相当宽泛，机器的大小可以或大或小，机器的形状可以是不规则或固定的形状，运动速度可以或快或慢，可以装配成一个机器也可以部分成为一个新机器等［8］。这种机器可以以圆柱体的形状工作，液态金属机器工作的时候会遵从这样的形状。我们也可以把原来的大机器分拆为几个独立的较小的机器，然后把机器的形状改成圆柱体、球体，或椭球体等。通常对于一个自由空间的情况下，由于液态金属具有较高的表面张力，这种机器通常会以一个球形方式运行。这种液态金属机器也可以分为几个独立的较小的球形液态金属机器。如果将液态金属迅速注入电解液中，可以产生大量的微型马达，如图14.34b所示，这种大量的微型马达可以组装成特定形状的机器。

这种机器即可以作为一个独立的个体执行任务，也可以通过分身为许多小的机器单独执行任务，当任务完成之后，这些机器可以合并为一个大的机器，这种转换是可逆而且可以是多次的。过渡态机器的三种不同状态可按如下途径实现［8］：准备好液态金属合金材料，之后将这种合金材料存储在注射器中，如果采用较粗的针头且将液态金属合金材料缓慢的注射到NaOH溶液中，即可形成一个单独运动的液态金属马达，同时这个大的独立运动的液态金属马达可以通过注射器回收。如果采用较细的注射器针头且将这种合金迅速地注入NaOH溶液中，可以瞬间制造出大量独立运动的液态金属小马达。随着时间的推移，这些小的液态金属马达之间开始产生碰撞与合并，最终组装成为一个大的独立的液态金属马达。

这里展示的新概念型过渡态机器，既可以作为一个单一的大尺寸机器运行，也可以作为大量的离散的小机器存在，可以根据需要改变其数量和形状，所以具有变形即过渡态的性质［8］。实际上这种机器可以工作在不同尺寸、形状及数目，而且可以改变机器的工作模式，这样的概念与之前的机器的概念是完全不同的。这些机器的制造及运动完全是因为液态金属具有特殊的属性，而且可以和其他金属一起形成原电池效应，通过电池产生的电场和与溶液反应产生的气体，共同推动了这个机器的运动及各种表现。过渡态机器实际上打开了一种新型机器的设计之路，这种机器无论在宏观还是微观，均具有较大的实用价值和灵活性。

在中国古典名著《西游记》中，孙悟空具有72变，其拔出汗毛变出无数小猴，之后再将其一一收回的情景给世人留下了极为深刻的印象。过渡态机器效应的发现，一定程度上从现实的角度再现了中国古人创想的孙悟空的分身行为和现代西方科幻的液态金属人的变形行为，印证了魔幻、科幻与现实世界的交相辉映，也为今后发展高级的柔性智能机器人技术指出了具体途径。