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AMR Account｜清华大学刘静教授团队：液态金属可变形机器
近日，清华大学刘静教授团队受邀在美国化学会旗下的《材料研究评述》（Accounts of Material Research）期刊上发表综述《液态金属可变形机器》(Liquid metal transformable machines)，就实验室在液态金属可变形机器方面的典型进展和启示加以解读，并对这一领域未来前景作出展望。论文被遴选为ACS Editors’ Choice（ACS每日在其旗下70余本期刊所发表全部论文中选出1篇，比例小于1%），同时入选期刊封面故事。文章共同第一作者为清华大学水木学者汪鸿章博士及陈森博士，通讯作者为清华大学刘静教授及北京航空航天大学孙旭阳副教授，合作者还包括清华大学助理研究员袁博博士。 作者团队简介 刘静，清华大学教授，中科院理化所双聘研究员。长期从事液态金属、工程热物理与生物医学工程等方面交叉问题研究，发现液态金属诸多全新科学现象和基础效应，开辟了液态金属在柔性机器人、生物医疗、印刷电子与3D打印以及芯片冷却等领域的探索实践，研发的众多液态金属产品、高端肿瘤微创治疗装备及无线移动医学仪器得到广泛应用。他是2003年国家杰出青年科学基金获得者，曾获国际传热界最高奖之一“The William Begell Medal”、全国首届创新争先奖，先后入选“两院院士评选中国十大科技进展新闻”、CCTV年度十大科技创新人物、R&D 100 Awards Finalist等。出版有16部跨学科前沿著作，获授权发明专利300余项，40余篇液态金属主题论文入选国际期刊封面或封底故事。 NO.1 文章内容简介 长期以来，实现可在不同形态之间自由转换的变形机器人，以执行常规技术难以完成的更为特殊高级的任务，是全球科学界与工程界的一个梦想，相应探索具有重大理论意义与实际应用前景。近年来，随着本研究团队在液态金属一系列基础发现的取得，液态金属作为新一代可控变形机器的基本构筑单元，在学术界引发广泛重视。本篇综述主要就本实验室在液态金属可变形机器方面的典型进展和启示加以解读，并对这一领域未来前景作出展望。 传统的机器通常由坚硬材料组成，主要以刚体形式运动，控制起来精准迅速。然而，复杂多变的环境也给此类机器人的灵活性、顺应性以及与人类交互的安全性带来了巨大挑战。为此，软体机器应运而生，其主要由弹性模量小于1 GPa的软材料制成（图1），运动则通过软材料变形实现。不过，发展至今，已有的软体机器仍与理想中智能机器的变形能力存在较大差距。 图1 典型机器分类及其组成材料的杨氏模量范围 2001年前后，作者团队开始对当时还鲜为人知的常温液态金属进行深耕。经过十余年持续探索和积累，团队于2013年首次发现电场调控下液态金属与水的复合体可在各种形态及运动模式之间发生转换的基本现象和原理，揭示出液态金属所呈现出的大尺度变形、旋转、定向运动及合并、断裂-再融合行为（图2），其响应过程中表面积改变甚至可达上千倍，能轻易钻过较之自身狭窄很多倍的缝隙。这一工作在国际上引发重大反响，成为液态金属可变形机器人领域的开端，业界普遍认为，这一“液体机器预示着柔性机器人新时代”，“终结者有望走进现实”。此后，团队还拓展出更多液态金属可变形机器的驱动方式（图3），包括通过胞吞效应赋予液态金属以磁性，以摆脱机器受限于溶液环境的问题，由此实现了在三维空间可编程控制，也为多自由度驱动液态金属提供了技术基础。 图2 电控可变形液态金属机器的各种典型响应模式 图3 液态金属可变形机器：从材料、驱动到变形 2014年末，团队于世界上首次发现了一种异常独特的液态金属自驱动现象和机制，即液态金属可通过吞食微量“铝箔”后形成全柔性自驱动机器（图4），速度达每秒厘米级且可持续运行数小时，运动过程中液态金属机器还可根据轨道角度和宽度调整自身形状，实现无需外界能量供应的自主变形和运动，且在分离和组装后仍保持运动；若将这种自驱动液态金属打散，可瞬间生成大量快速运动的微马达群，它们在电场作用下可形成高速定向运动，在磁场下则表现出磁陷阱效应（图4）。这一系列工作为研制实用化智能马达、血管机器人、流体泵送系统、柔性执行器乃至更为复杂的液态金属机器人奠定了理论和技术基础。 图4 以进食方式获能的自驱动液态金属可变形机器及微型马达群 在本综述中，作者还梳理了团队首次发现的一系列液态金属固液组合机器效应（图5），其中，在液态金属基自激振荡效应中，实验揭示：经预先处理的铜丝触及含铝液态金属时，会被迅速吞入并在液态金属基座上作长时间往复运动，如同小提琴被拉动的琴弦一般，其振荡频率和幅度可通过另一金属如不锈钢丝触碰液态金属来加以灵活调控。这一突破性发现革新了传统的界面科学知识，也为柔性复合机器的研制打开了新思路，相应架构也可用作流体、电学、机械及光学系统的控制开关。而液态金属结合低沸点工质，还可实现大尺度变形的柔性机器架构，如自由变形的软体章鱼、定向蠕动的软体动物等。 图5 由液态金属机器驱动的固液组合系统 总的说来，液态金属机器的问世引申出了全新的可变形机器概念，将显著提速柔性智能机器的研制进程，该领域一系列基础发现的取得为可变形体特别是软体机器的设计和制造开辟了全新途径，奠定了新一代可变形机器的理论基础，具有重大的科学意义和深刻的应用前景。近年来，随着全球实验室在此方向上的不断接力研发，液态金属变形机器取得了各种可喜进展，从宏观到微观均有涉及，但总体而言这一领域仍处于方兴未艾的发展早期。若能充分发挥液态金属所展示出的巨大潜力，并结合相关技术，将引发各种超越传统的机器变革。可以预见，未来通过学术界和产业界更多通力合作，可望不断克服各种应用上的技术瓶颈，直至促成液态金属可变形机器最终应用于实践。 NO.2 AMR：请问您选择这个领域的初心是什么？ 刘静教授： 液态金属机器人这一新领域因本实验室的偶然发现而催生，此后成为学术界主流方向。我们的研究初心是想找到一条改变传统机器人研究现状的基础途径。以往，虽然学术界研发出了各种软体动物机器人，但大多仍属于多个硬质单元组成的机构，与柔软和普适变形乃至融合等高级机器所具备的能力还存在相当大距离，更不同于自然界中人或动物那样的有着柔软外表、无缝平滑的连接。液态金属可变形机器效应的发现，对发展全新概念的柔性机器提供了关键理论与技术启示，可由此出发逐步构筑和进化出可变形机器。近年来的发展表明，这无疑打开了前所未有的探索空间。 NO.3 AMR：请和大家分享一下这个领域可能会出现的研究机会！ 刘静教授： 液态金属机器人已被公认为机器人领域最具发展前景的重大方向之一，相应研发机会众多，不完全列举如：各种液态金属功能材料的发明，以及由此引申出的超常构象转换、变形与运动机理、调控方法乃至机器人原理的构筑等；与此同时，液态金属与生物学、机器人、电子以及智能科学等的融合，可望进一步促成液态金属可变形机器人理论与应用技术体系的革新，同时也为各有关学科前沿提供了丰富的研究空间。 NO.4 AMR：请问有什么科研心得想分享给读者们? 刘静教授： 我觉得，在“科技无人区”进行探索虽然面临重重困境，但一个好处是机遇往往不期而至，不过这通常又是一个量变引起质变、必然性与偶然性交相出现的过程，因此甘坐冷板凳、能够长期坚持十分必要，这几乎也是获取“源头”成果的一条必经之路。如下分享几则从实践中获得的体会： 1. 科研中一万小时定理总是对的。由使命驱动、面向解决重大需求开展的艰苦探索可能催生变革，我意识到用液态金属冷却CPU芯片就是在穷尽无数方案后偶然所得，算是自己不忘初心、总想找到全新解决方案的结果。 2. 前沿研究往往会带给探索者“无心插柳柳成荫”的美妙体验。我萌生液态金属印刷电子的想法，是在最初做冷却试验时受液态金属飞溅到电脑屏幕后不易擦除而启发，该领域目前已一发不可收，影响面十分广泛。 3. 在科学研究中刻意而为也很有必要。我决意要在一片空白的液态金属生物材料上走出一条路就完全是主动而为的，因自己始终觉得液态金属作为一种新材料在生物医学上必有用武之地，事后证明这一领域确实是一个大宝库。 4. 切身体会到“偶然发现”对于新领域的催生有着多么重要的意义。我们掀开液态金属机器人研究的大门有一定偶然性，起因是当初开展液态金属神经连接与修复试验时，受电学诱发金属液滴旋转所触动，这促成了液态金属可变形机器乃至后续更多基础现象的发现，直至形成一个全新的柔性机器人领域。 NO.5 AMR：请问您对该领域的人才培养有何种倡议? 刘静教授： 希望能培养出科研领域更多的第一个吃螃蟹者。新兴领域一开始往往是无人区，由于研究的不确定性和挑战性，探索者需要具备一定的勇气、眼界和定力，但这样的科研征程也因总能见到稀世风景而带给前行者以兴奋和期待，这正是科学研究的魅力所在，在此道路上的任何发现和努力都是值得欢呼的，因为它们都为科学的进步和升级提供了路标。总的说来，希望能培养出更多有探索心性、勇于和敢于进行科学探险的年轻人。 扫码阅读刘静教授团队的精彩Account文章： Liquid metal transformable machines Hongzhang Wang, Sen Chen, Bo Yuan, Jing Liu*, and Xuyang Sun* 原文链接： 投稿指南
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