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室溫液態金屬具有可在不同形態和運動模式之間轉換的普適變形能力

2017-10-20  來自: 長沙萬特新材料 瀏覽次數:407

中國液態金屬變形技術

《不同構象之間的液態金屬多變形性》論文,揭示出室溫液態金屬具有可在不同形態和運動模式之間轉換的普適變形能力。比如,浸沒于水中的液態金屬對象可在低電壓作用下呈現出大尺度變形、自旋、定向運動,乃至發生液球之間的自動融合、斷裂-再合并等行為,且不受液態金屬對象大小的限制;較為獨特的是,一塊很大的金屬液膜可在數秒內即收縮為單顆金屬液球,變形過程十分快速,而表面積改變幅度可高達上千倍;此外,在外電場作用下,大量彼此分離的金屬液球可發生相互粘連及合并,直至融合成單一的液態金屬球;依據于電場控制,液態金屬極易實現高速的自旋運動,并在周圍水體中誘發出同樣處于快速旋轉狀態下的漩渦對;若適當調整電極和流道,還可將液態金屬的運動方式轉為單一的快速定向移動。研究表明,造成這些變形與運動的機制之一在于液態金屬與水體交界面上的雙電層效應。以上豐富的物理學圖景革新了人們對于自然界復雜流體、軟物質特別是液態金屬材料學行為的基本認識。這些超越常規的物體構象轉換能力很難通過傳統的剛性材料或流體介質實現,它們事實上成為用以構筑可變形智能機器的基本要素,為可變形體特別是液體機器的設計和制造開辟了全新途徑。

成就

劉靜小組的發現,為可變形材料特別是液體機器的設計和制造邁出了關鍵性的一步,一定程度上從理論和技術的層面論證了實現液態金屬機器人的可能性;事實上,該研究已打開了系列已趨現實的應用范疇,如制造柔性執行器,控制目標流體或傳感器的定向運動、金屬液體回收,以及用作微流體閥、泵或更多人工機器等。若采用空間架構的電極控制,還可望將這種智能液態金屬單元擴展到三維,以組裝出具有特殊造型和可編程能力的仿生物或人形機器;甚至,在外太空探索中的微重力或無重力環境下,也可發展對應的機器來執行相應任務。

中國研制出世界首臺自主運動可變形液態金屬機器

原標題:中科院與清華聯合研制出世界首臺自主運動可變形液態金屬機器

中國科學家造出了世界首臺液態金屬機器,這一成就被外媒形容為制造出“終結者”。

據中科院理化所網站,3月3日,由劉靜研究員帶領的中國科學院理化技術研究所、清華大學醫學院聯合研究小組,在Advanced Materials上發表了題為“Self-Fueled Biomimetic Liquid Metal Mollusk”(2015)的研究論文,迅速被New Scientist、Nature研究亮點、Science新聞等數十個知名科學雜志或專業網站專題報道,在國際上引起重要反響和熱議。

此項研究于世界上首次發現了一種異常獨特的現象和機制,即液態金屬可在吞食少量物質后以可變形機器形態長時間高速運動,實現了無需外部電力的自主運動,從而為研制實用化智能馬達、血管機器人、流體泵送系統、柔性執行器乃至更為復雜的液態金屬機器人奠定了理論和技術基礎。這是該小組繼首次發現電控可變形液態金屬基本現象(Sheng et al., Advanced Materials, 2014, 封面文章;Zhang et al., Scientific Reports, 2014)之后的又一突破性發現。

這種液態金屬機器完全擺脫了龐雜的外部電力系統,從而向研制自主獨立的柔性機器邁出了關鍵的一步。文章被選為期刊內前封面故事,Altmetric計量學數據顯示其指數已達71.0,遠高于期刊平均值6.7,在同時期論文中則排名N o.1。

研究揭示,置于電解液中的鎵基液態合金可通過“攝入”鋁作為食物或燃料提供能量,實現高速、高效的長時運轉,一小片鋁即可驅動直徑約5 mm的液態金屬球實現長達1個多小時的持續運動,速度高達5cm/s。這種柔性機器既可在自由空間運動,又能于各種結構槽道中蜿蜒前行;令人驚訝的是,它還可隨沿程槽道的寬窄自行作出變形調整,遇到拐彎時則有所停頓,好似略作思索后繼續行進,整個過程仿佛科幻電影中的終結者機器人現身一般。

應該說,液態金屬機器一系列非同尋常的習性已相當接近一些自然界簡單的軟體生物,比如:能“吃”食物(燃料),自主運動,可變形,具備一定代謝功能(化學反應),因此作者們將其命名為液態金屬軟體動物。這一人工機器的發明同時也引申出“如何定義生命”的問題。

目前,實驗室根據上述原理已能制成不同大小的液態金屬機器,尺度從數十微米到數厘米,且可在不同電解液環境如堿性、酸性乃至中性溶液中運動。試驗和理論分析表明,此種自主型液態金屬機器的動力機制來自兩方面:一是發生在液態合金、金屬燃料及電解液間的Galvanic電池效應會形成內生電場,從而誘發液態金屬表面的高表面張力發生不對稱響應,繼而對易于變形的液態金屬機器造成強大推力;與此同時,上述電化學反應過程中產生的氫氣也進一步提升了推力。正是這種雙重作用產生了超常的液態金屬馬達行為,這種能量轉換機制對于發展特殊形態的能源動力系統也具重要啟示意義。

關鍵詞: 液態金屬?           

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