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作者:卜叶 来源:中国科学报 发布时间:2020/5/21 9:43:23
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奇妙的液态金属手

 

人类对机器人的研究近乎痴迷。从重复简单动作的遥控机器人,到能够感知触觉、视觉、听觉的机器人,再到拥有丰富传感器能进行逻辑推理判断的智能机器人,机器人对人的模仿越来越惟妙惟肖,却依然难以摆脱被金属包裹的冰冷感。

机器人与人类的哪些不同导致了这些差别?科研人员将目光投向占人体80%的液体,它们将“碳基生物”与“硅基生物”区别开来。

但是,金属也可以是液态的。近日,美国纽约州立大学宾厄姆顿分校助理教授Pu Zhang在一项研究中,开发了他称之为“世界上第一个液态金属的晶格”,它由菲尔德金属制成——这是一种由铋、铟、锡组成的共晶合金。这种合金在62摄氏度的熔点下变成液体。用这种液态金属制作的人手能够随温度弯曲。

液态金属为柔软机器人研发提供了新思路。近日,相关论文成果发表于《增材制造》杂志。

赋予液态金属新应用

与水银、铁水等液态的金属不同,菲尔德金属为代表的液态金属是接近常温常压下仍能保持液态的一类合金。

目前,菲尔德金属正被用作核工程等领域的液态金属冷却剂,但研究界还发现了它的潜在用途。Pu Zhang和研究人员利用混合制造工艺将金属晶格材料与橡胶外壳结合起来,使该材料具有防湿、防尘、能抵御化学品和极端温度等优点。

“没有外壳,它还是不能工作,因为液态金属会流走。”Pu Zhang说,外壳骨架控制着物体的形状和完整性,因此液态金属应该被限制在特定通道中才能发挥更大作用。

“这种新型晶格材料很难加工,因此我们花了半年多的时间寻找合适的材料和工艺参数,最终研发出一种集三维打印、真空铸造和保形涂层等技术于一身的制造工艺。”Pu Zhang说。

中国科学院理化技术研究所副研究员盛磊告诉《中国科学报》,这项研究的巧妙之处在于,通过3D打印和铸造技术制造出拥有各种复杂形状的中空结构,再将液态金属灌入空腔以形成所需要的金属结构,最终通过液态金属固液转变来调控其形态和刚度。

为了验证新工艺,Pu Zhang所在的团队还制作了一系列原型。这些原型在加热到熔点后可以恢复形状,包括蜘蛛网状的天线、蜂巢和足球。

“这项研究拓宽了液态金属结构成型技术,对于推动液态金属柔性机器人这一领域的发展具有重要意义。”盛磊说。

当然,这些原型提供了非凡的视觉效果,但其背后的特性可以激发无数的用途。当液态金属处于固态时非常坚固,但在压碎过程中吸收大量能量;经过加热和冷却后,它会恢复到原来的形状,并可以重复使用。

不过,研究人员更希望制作一只像人类一样的手,让它随着金属晶格的熔化而慢慢张开。

现在这只手正随着温度变化而运动。Pu Zhang心中还有一个终极目标:“我们的梦想是建造一个液态金属晶格机器人,现在我们有了一只手,所以我们又向前迈了一步。”

目前,Pu Zhang所在的团队正在探索如何在这种金属晶格研究的基础上改进结构类型和涂层材料,以研制出完整的液态金属机器人。

“颠覆”还很遥远

早在30年前,Pu Zhang的终极目标已经被搬上银幕。1991年上映的《终结者2:审判日》中的机器人T-1000就由液态金属构成。它可随意变形,运动能力卓越,并且打不死、烧不死、冻不死,让人记忆深刻。

在液态金属研究上,我国亦处于领跑者地位。中国科学院理化技术研究所刘静团队也对这种神秘的液态金属产生了浓厚的兴趣。2015年,刘静团队研发出自主运动的可变形液态金属机器。

刘静认为,液态金属作为一类特殊功能材料,已展示出引领和开拓重大科技前沿的特质,有望在电子信息、先进制造、柔性机器人、生物医疗健康等领域带来颠覆性变革。

当然,液态金属离颠覆机器人产业还很遥远。“以自然界生物进化的观点看,现在相当于培育出了‘细胞’,要使之成为完整的仿生物体柔性机器人,还需要生长出肌肉、神经、骨骼等等。”刘静说。

盛磊认为,当前液态金属的研究还有欠缺,材料设计、传感器、执行器、驱动及变形等方面研究比较集中,系统集成方面研究进展偏少,特别是软体变形和柔性感知方面的研究难以统一。此外,液态金属机器人在能量供给、运动方式调控、执行具体任务方面均有较大挑战,工程实施方面也具有一定的难度。

潜在应用广泛

很显然,液态金属及其衍生的复合多功能材料拥有流体、电、磁、热等独特属性,在柔性机器人领域具有巨大的应用价值。

“基于液态金属的柔性机器不仅具备可逆可控复杂变形特性,还因液态金属柔性电子而赋予柔性机器多模态感知功能,从而引申出全新的可变形机器概念。”中国农业大学工学院副教授何志祝说。

何志祝介绍,目前,液态金属已经在高性能热管理、柔性电子电路、3D增材制造、柔性可变形机器人、生物医学材料等领域有了变革性的技术应用。

“在液态金属的应用中,美国宇航局或私人航天公司或许对此更感兴趣。”Pu Zhang表示。自2012年在匹兹堡大学攻读博士学位以来,Pu Zhang一直在研究晶格材料,他认为卫星设计者可以将“蜘蛛网”打包成一个小包裹,然后在轨道上作为天线展开使用。此外,将来在月球或火星上建立的液态金属建筑有望占用相较一般建筑材料更少的空间。

Pu Zhang认为,用金属晶格材料建造一艘行星际飞船可能是更有意义的。“如果飞船在月球或火星上着陆时受到某种撞击,可能会坠毁。通常,工程师使用铝或钢来制造缓冲结构,但在人类登月后,金属会吸收能量并变形,导致传统金属无法使用。”

“使用液态金属后,人类可以像对待其他金属一样撞它,它们也会随着加热恢复原形,因此可以反复使用。”Pu Zhang说。

整体看,液态金属柔性机器的研制和产业化推进还处于启动阶段,蕴藏着巨大发展机遇。何志祝表示,由液态金属引发的新一代柔性可控变形单元,有望用于构建各类全新概念的先进机器人技术,在民用乃至国防安全,如可重构天线、可重构飞行器、液态金属外骨骼等方面具有巨大的想象空间。

盛磊补充说,液态金属既可被电场、磁场等外部场驱动,同时也可以进行自驱动运动。因此,液态金属可被灵活驱动的特点在微纳米机器领域有着自己独到的优势,如可以做成携带药物的纳米机器人,精准灭杀生物体内的癌细胞等。

相关论文信息:https://doi.10.1016/j.addma.2020.101117

 
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