可重构的活性液态金属游动纳米机器人集群

液态金属构成的机器人一直是经久不衰的科幻话题，许多科幻电影都展示了先进的液态金属机械，例如电影《终结者》描绘了来自未来的液态金属机器人“T-1000”，它能适应不同功能进行变形，即便被破坏成碎片，碎片依然能融化、运动并重新融合成原有的外形。液态金属不仅活跃在文学艺术创作中，在科研领域，液态金属机械的制造同样吸引了科学家们的目光。液态金属，尤其是镓以及镓合金，在室温下即可呈液态，具有流动性、黏度低、良好的生物相容性、高热导率等特性，这些特性使得镓基液态金属在软物质材料、智能机器人和可穿戴器件等领域具有巨大的应用前景。

将液态金属应用于活性软物质材料与系统的构建，以获得可与生物系统媲美的涌现性特征是当下重要的研究热点。生物系统通过动态的复杂自组织结构适应周围环境，完成各种生命活动并体现生命特征。生物系统中的个体能够消耗能量以获得运动的推动力，并对局域内刺激做出响应。受生命体非平衡动态自组织行为的启发，借助活性的游动纳米机器人构建具有可交互、自适应功能的可重构活性软物质系统，将为更好地理解生命体系涌现性自组织行为提供绝佳的物理模型，也为下一代活性软物质材料工程提供了新的方向。

近日，哈尔滨工业大学贺强教授（点击查看介绍）课题组以超声场致动的共晶镓铟合金（EGaIn）液态金属游动纳米机器人为构筑基元，提出了模拟自然界中蒲公英花生长过程的可重构非平衡液态金属纳米集群的研究成果。液态金属游动纳米机器人通过超声辅助的物理分散方法制备，直径为200 nm, 长度为800 nm，外层由GaOOH形成的壳层稳定，内核为未被氧化的液态金属。在驻波超声场的作用下，液态金属游动纳米机器人能够进行快速的自主运动，速度可达每秒50倍身长。通过将大量液态金属游动纳米机器人加入体系中，在可调制频率的驻波超声场作用下，活性的纳米机器人群体产生涌现性并产生自发的聚集运动。随着频率的调节聚集体形态与运动行为逐步改变，呈现出模拟蒲公英生长、结实、随风传播种子的准二维动态图案。计算机模拟及分析表明，液态金属游动纳米机器人群体的蒲公英图案是由声压场的能量分布与活性的游动纳米机器人之间的近程相互作用共同影响完成的，当空间内液态金属游动纳米机器人的密度达到一定阈值后，游动纳米机器人个体间相互作用加强，产生涌现性并对外界程序化的声压场变化产生响应，从而形成可重构的复杂图案。液态金属游动纳米机器人可以作为活性的组装单元构建可重构的纳米机器集群，模拟生物体的涌现性自组织行为特征，为下一代液态金属基活性软物质材料和智能机器人制造提供理论和技术基础。

相关工作发表在Angew. Chem. Int. Ed.上，第一作者为博士研究生李泽生。

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Reconfigurable Assembly of Active Liquid Metal Colloidal Cluster

Zesheng Li, Hongyue Zhang, Daolin Wang, Changyong Gao, Mengmeng Sun, Zhiguang Wu, Qiang He

Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.202007911

导师介绍

贺强

https://www.x-mol.com/university/faculty/46676