金属丝自激振荡在液态金属机器上的效应

周期运动现象在自然界非常普遍，如水波、声波、电磁波等都是一种周期运动，广义来说，自然界就处于一种周期性更替当中，如日夜交替、四季更迭。而周期性运动的部件在工业上也有重要的应用，如汽车发动机活塞，纺织机等。

笔者实验室Yuan等［15］，首次发现了一种异常独特的由液态金属驱动的金属丝振荡效应。此前，液态金属机器均以纯液态方式出现，固液组合机器效应的发现和技术突破，使得液态金属机器自此有了功能性内外骨骼，将提速柔性机器的研制进程。

液态金属固液组合机器的自激振荡效应是这样实现的［15］：将处理过的铜丝触及含铝的液态金属时，铜丝会被液态金属迅速吞入，并随后在液态金属机体上作长时间往复穿梭运动，如同演奏音乐中的小提琴琴弦一般（图14.36）。此外，用不锈钢丝触碰液态金属，还可对铜丝的振荡行为加以调频调幅操控。造成上述现象的机制主要在于，铝与碱溶液反应引发液态金属与铜丝两端出现浸润力差异所致，这里，铜丝、液态金属、电解液及氢气之间多相界面的动态耦合产生了节律性牵引力。这一突破性发现革新了传统的界面科学认识，也为柔性智能机器的研制打开了新思路，还可发展出流体、电学、机械、光学等系统的控制开关。

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图14.36　液态金属机器驱动铜丝浸润与自激振荡现象［15］

如图14.36所示，含铝的液态金属放置于一个橡胶O形圈中固定，直径大约为1 cm，整个装置都浸泡在NaOH溶液中。而后，用一根浸润了液态金属的细铜丝水平插入液滴内，来回拖动几次之后释放，便可发现铜丝开始自发地振动起来，该振动过程可以持续20多分钟，在铜丝与溶液接触部分会不断产生氢气。此外，我们发现用不锈钢丝接触液态金属表面可以显著加快铜丝的振动频率。

该现象的产生可以由铜丝与液态金属之间的浸润力差异解释［15］。铜丝浸润液态金属，同时液态金属内分散的铝颗粒会黏附在铜丝表面。当铜丝从一端进入液态金属内部时会带入部分溶液，这些溶液会和铝反应产生大量氢气，所产生氢气的体积是反应溶液体积的1 000多倍，因此导致铜丝与液态金属的浸润力急剧减小。相对而言，进入液态金属内部的铜丝段溶液还未反应，而出液态金属的铜丝段已经反应产生大量氢气，因此铜丝会持续向一端运动。而运动到端点之后，两边的过程又会反过来进行，于是就导致了这种周期性运动。该现象的发现不仅给界面科学带来了启示，而且为后续柔性液态金属机器的发明提供了具体思路。