中科院团队新研究突破：让液态金属机器能“跑”能“跳”

终结者2液态金属机器人T-1000

1991年，一个强大的机器人T-1000出现在电影《终结者2》中。这种由液态金属制成的机器人无论受到多大的伤害都可以立即自动恢复，甚至可以随意改变身体形状和面部外观。这种变形机器人一直是科学家们的目标之一。现在，中国科学家在液态金属领域取得了突破，并在漫长的研究道路上又迈出了一小步。

新的研究使液态金属机器能够“跑”和“跳”

据中国科学院微信公众号发布，近日，中国科学院物理化学技术研究所会同清华大学研究小组，首次报道了液态金属驱动的金属丝振荡效应、金属粒子引发液态金属跳跃现象等。，并开发了涂有磁性功能层的自驱动液态金属机器，甚至是以液态金属作为车轮的微型车辆，其中两种以封面文章的形式出版。

以前，液态金属机器都是以纯液态形式出现的。固液结合机械效应的发现和技术突破使液态金属机械具有了功能性的内外骨骼，这将加速柔性机械的发展进程。

——2——清华大学医学院生物医学工程系刘晶教授，他开发了世界上第一台液态金属机

观察网指出，研究小组的组长是清华大学的刘晶教授，他是中国科学院物理与化学研究所的一名兼职研究员。

2013年6月，当液态金属被制成印刷“墨水”时，刘晶团队首次开发了在纸上直接生成电子电路的技术。一年后，该团队开发了世界上第一台室温液态金属打印机。借助这种装置，只需在计算机上设置一个程序，一个个性化的电路系统就可以“打字”。2015年初，由刘晶领导的团队创造了世界上第一台液态金属机器。这篇论文引起了权威网站如《科学》的关注，并被描述为创造了一个“终结者”。

刘晶团队最近在《高级科学》杂志上发表了一篇题为《液态金属机器触发的类似小提琴的线振荡器》(10.1002/Advs.201600212，2016；封面文章)，研究小组报道了一种异常独特的液态金属固液结合机的自激振荡效应:当处理过的铜线接触到含铝的液态金属时，铜线会迅速被液态金属吞噬，然后在液态金属体上做长时间的往复运动，就像在音乐中演奏小提琴弦一样(图1)。

图1期刊封面故事和铜线渗透以及由液态金属机器驱动的自激振荡

此外，用不锈钢丝接触液态金属也可以通过调频和调幅来控制铜线的振荡行为。上述现象的机理主要是由于铝和碱性溶液的反应导致液态金属和铜线两端的渗透力不同。这里，铜线、液态金属、电解质和氢气之间的多相界面的动态耦合产生有节奏的牵引力。这一突破性发现创新了对界面科学的传统理解，为开发灵活的智能机器开辟了新的思路，还可以开发用于流体、电气、机械和光学系统的控制开关。

在《应用物理快报》上发表的一篇题为《固体金属粒子引发的电解液中液态金属液滴跳跃》(108，223901，2016)的论文中，作者发现了液态金属的一种有趣的跳跃行为(图2):添加固体金属粒子(镍、铁等)后。)到含有金属液滴的溶液体系中，原本静止的金属液滴开始跳跃，并在容器底部留下一串饼状“脚印”。

图2氢氧化钠溶液中镍粉颗粒引发的液态金属液滴跳跃行为

研究表明，当金属颗粒与液态金属表面发生点接触时，界面处的电场强度显著增强，从而在溶液中电解产生氢气，氢气泡将不断吸附并在基体上生长，形成“气弹簧”，为液滴跳跃提供推力。导致电场极化的因素之一是液态金属和固态金属颗粒之间的电势差，即电偶效应(图3)；另一个原因是固液界面微观形态的差异会导致电荷积累，进而导致尖端放电效应。

图3金属液滴与固体金属颗粒点接触后界面电场极化的原理和现象

发表在《材料化学》b刊的一篇论文(4，5349，2016年，封面文章)中，该研究团队通过电镀方法在液态金属表面嵌入铁磁性镍层，从而实现在外部磁场或电场作用下对机器的灵活控制(图4)，并验证其在药物输送中的潜在价值。除了不规则的运动液态金属机之外，磁性固液结合机还可以实现启动、停止、转向和加速等复杂行为。

图4期刊封面故事和涂有镍壳的固-液复合磁性液态金属机器的受控和自主运动

此外，研究团队还开发了一种由柔性可变形“车轮”驱动的微型车辆，该车辆由金属液滴和3D印刷塑料体组成。在电场的作用下，液态金属“车轮”会发生旋转变形，进而驱动车辆行驶、加速甚至实现更复杂的运动(图5)。使用类似于4x4汽车的结构，研究小组证实它能以25毫米/秒的速度移动，重量为0.4克。这种固-液组合柔性机器的设计概念能导致更复杂的可控机器结构。相应的研究发表在RSC advancers(液体金属轮小型货运车辆，6，564856488，2016)。

图5电场控制下由柔性可变形液态金属轮驱动的单轮和四轮车辆的运动行为

十多年来，中国科学院物理与化学研究所研究员刘晶带领的团队围绕液态金属进行了大量原创性探索，在芯片冷却、先进制造、电子技术、生物医学和柔性机械等领域取得了全面突破。到目前为止，该团队已经发现了30多种具有重要科学意义的液态金属基本现象或效应，开发了数十项实用技术，推动了北京、云南、广东等地的产业化，并先后建成了领先的液态金属产品生产线、研发中心和科技馆。各种各样的产品已经进入市场。创建液态金属谷，甚至为液态金属开发新的工业系统的想法也正在从理想变成现实。研究结果对国内外学术界和工业界产生了重大影响。

近年来，刘晶团队一直致力于共同促进液态金属的工业应用。“我们很幸运在液态金属研究方面领先世界，但我们不能在工业方面落后。我们必须抓住历史机遇，帮助我们的国家建设一个世界级的液态金属谷。”刘晶说。

“变形机器人”的制造还有很长的路要走。

随着科学技术的不断进步，液态金属已经进入了我们的视野，但是拥有液态金属是否意味着可以制造出“变形机器人”？

澳大利亚皇家墨尔本理工学院的科学家也在今年8月表示，他们使用液态金属合金来制造自动开关和泵。最新技术可以用来制造像活组织一样工作的电子设备，甚至像“T-1000终结者”这样的3D液态金属机器人。尽管全面实现“T-1000”仍有许多技术障碍，澳大利亚科学家称他们已经朝着这个方向“迈出了坚实的一步”。

理想情况下，有了这项技术，人们不需要塑造机器人，只需要按照一定的程序改变水的酸碱成分，金属就可以自己达到给定的形状。该技术达到一定水平后，将彻底改变钢材的应用范围。例如，当无人驾驶飞行器需要穿越一个相对较低的地方时，如果采用液态金属，它可以立即变平，并一举跳过障碍物。

当然，墨尔本理工大学的研究人员也承认，这项技术还有很长的路要走，不可能在短时间内实现。制造液态金属机器人所需的编程复杂性将远远超过目前的方法。更困难的是，为了达到“变形机器人”的高度，它必然要求里面的所有智能设备都采用液态金属。就目前的情况而言，我们仍然找不到合适的技术来解决它。

铁水

名词解释

“液态金属”是指一种无定形金属，它可以看作是正离子流体和*电子气体的混合物。

液态金属是一种不稳定的粘性流体。它可以通过填充工艺形成各种铸件。液态金属与水体界面的双电层效应使室温液态金属具有在不同形态和运动模式之间切换的普遍变形能力。例如，浸入水中的液态金属物体在低电压下会出现大规模变形。一个大的金属液膜可以在几秒钟内收缩成一个金属液球。

可变形液态金属机器在含有电解液的容器或各种通道中的自主运动

2015年3月，由中国科学院物理与化学技术研究所研究员刘晶和清华大学医学院领导的联合研究小组发表了一篇论文，称他们已经开发出了世界上第一台液态金属机器。研究成果为开发实用的智能电机、血管机器人、流体泵系统、柔性执行器以及更复杂的液态金属机器人奠定了理论和技术基础。

由自主液态金属机器展示的人造软体动物、物理马达及其驱动液

刘晶研究小组发现，在电解液中，一种镓基液态合金在“吞下”铝作为食物或燃料后，可以使机器变形并长时间高速运转，实现无外力的自主运动。“有趣的是，我们观察到这种变形机不仅能在*空间中运动，还能在各种结构通道中向前运动。更令人惊讶的是，它会根据通道的宽度自行调整，在转弯时会停下来，就像一个人在遇到障碍后行走“思考”，很像科幻电影《终结者》中的液体机器人。刘晶说。他们称液态金属机器为“软体动物”，因为它表现出一系列不同寻常的特征，这些特征与自然界中简单的软体动物非常相似。