近日，由研究員劉靜帶領(lǐng)的中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所、清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院聯(lián)合研究小組，在Advanced Materials上發(fā)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(shù)十個知名科學(xué)雜志或?qū)I(yè)網(wǎng)站專題報道，在國際上引起重要反響和熱議。
在迄今所發(fā)展的各種柔性機器中，自主型液態(tài)金屬機器所表現(xiàn)出的變形能力、運轉(zhuǎn)速度與壽命水平等均較為罕見，這為其平添了諸多重要用途。作為具體應(yīng)用器件之一，論文還特別展示了首個無需外界電力的液態(tài)金屬泵，通過將其限定于閥座內(nèi)，可達(dá)到自行旋轉(zhuǎn)并泵送流體的目的，據(jù)此可快速制造出大量微泵，滿足諸如藥液、陣列式微流體的輸運等，成本極低；若將此類柔型泵用作降溫，還可實現(xiàn)高度集成化的微芯片冷卻器；進一步的應(yīng)用可發(fā)展成血管或腔道機器人甚至是可自我組裝的液態(tài)金屬智能機器等。
刊載上述首創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)的文章在線發(fā)表后，短時間內(nèi)即引起世界范圍內(nèi)眾多科學(xué)雜志、專業(yè)網(wǎng)站和新聞媒體的高度重視。New Scientist 在第一時間以文章和精心制作的視頻進行了報道：《液態(tài)金屬朝可變形機器人邁進一步》(Liquid metal brings shape-shifting robot a step closer)，指出其“將成為今后電影中人工生命的種子”；Nature 雜志在其研究亮點欄目以《液態(tài)金屬馬達(dá)靠自身運動》(Liquid metal motor moves by itself )為題進行了報道；Science網(wǎng)站發(fā)布觀察文章和視頻：《可變形金屬馬達(dá)擁有一系列用途》(Shape-shifting metal motor has a variety of uses)；路透社也對此進行了專門報道。據(jù)初步統(tǒng)計，文章發(fā)表兩周左右即已有數(shù)百個科學(xué)或?qū)I(yè)網(wǎng)站對此進行了評介和轉(zhuǎn)載，說明了該項研究工作的影響。
自驅(qū)動液態(tài)金屬機器的問世引申出了全新的可變形機器概念，將顯著提速柔性智能機器的研制進程。當(dāng)前，全球圍繞先進機器人的研發(fā)活動正處于如火如荼的階段，若能充分發(fā)揮液態(tài)金屬所展示出的各種巨大潛力，并結(jié)合相關(guān)技術(shù)，將引發(fā)諸多超越傳統(tǒng)的機器變革。劉靜小組關(guān)于液態(tài)金屬自驅(qū)動效應(yīng)和相應(yīng)機器形態(tài)的發(fā)現(xiàn)，為今后發(fā)展高級的柔性智能機器人技術(shù)開辟了全新途徑，具有十分重要的科學(xué)意義和實際應(yīng)用價值。
論文鏈接
此項研究于世界上首次發(fā)現(xiàn)了一種異常獨特的現(xiàn)象和機制，即液態(tài)金屬可在吞食少量物質(zhì)后以可變形機器形態(tài)長時間高速運動，實現(xiàn)了無需外部電力的自主運動，從而為研制實用化智能馬達(dá)、血管機器人、流體泵送系統(tǒng)、柔性執(zhí)行器乃至更為復(fù)雜的液態(tài)金屬機器人奠定了理論和技術(shù)基礎(chǔ)。這是該小組繼首次發(fā)現(xiàn)電控可變形液態(tài)金屬基本現(xiàn)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(fā)現(xiàn)。這種液態(tài)金屬機器完全擺脫了龐雜的外部電力系統(tǒng)，從而向研制自主獨立的柔性機器邁出了關(guān)鍵的一步。文章被選為期刊內(nèi)前封面故事，Altmetric計量學(xué)數(shù)據(jù)顯示其指數(shù)已達(dá)71.0，遠(yuǎn)高于期刊平均值6.7，在同時期論文中則排名No.1。
研究揭示，置于電解液中的鎵基液態(tài)合金可通過“攝入”鋁作為食物或燃料提供能量，實現(xiàn)高速、高效的長時運轉(zhuǎn)，一小片鋁即可驅(qū)動直徑約5 mm的液態(tài)金屬球?qū)崿F(xiàn)長達(dá)1個多小時的持續(xù)運動，速度高達(dá)5cm/s。這種柔性機器既可在自由空間運動，又能于各種結(jié)構(gòu)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(diào)整，遇到拐彎時則有所停頓，好似略作思索后繼續(xù)行進，整個過程仿佛科幻電影中的終結(jié)者機器人現(xiàn)身一般。應(yīng)該說，液態(tài)金屬機器一系列非同尋常的習(xí)性已相當(dāng)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(xué)反應(yīng)），因此作者們將其命名為液態(tài)金屬軟體動物。這一人工機器的發(fā)明同時也引申出“如何定義生命”的問題。目前，實驗室根據(jù)上述原理已能制成不同大小的液態(tài)金屬機器，尺度從數(shù)十微米到數(shù)厘米，且可在不同電解液環(huán)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(tài)金屬機器的動力機制來自兩方面：一是發(fā)生在液態(tài)合金、金屬燃料及電解液間的Galvanic電池效應(yīng)會形成內(nèi)生電場，從而誘發(fā)液態(tài)金屬表面的高表面張力發(fā)生不對稱響應(yīng)，繼而對易于變形的液態(tài)金屬機器造成強大推力；與此同時，上述電化學(xué)反應(yīng)過程中產(chǎn)生的氫氣也進一步提升了推力。正是這種雙重作用產(chǎn)生了超常的液態(tài)金屬馬達(dá)行為，這種能量轉(zhuǎn)換機制對于發(fā)展特殊形態(tài)的能源動力系統(tǒng)也具重要啟示意義。
在迄今所發(fā)展的各種柔性機器中，自主型液態(tài)金屬機器所表現(xiàn)出的變形能力、運轉(zhuǎn)速度與壽命水平等均較為罕見，這為其平添了諸多重要用途。作為具體應(yīng)用器件之一，論文還特別展示了首個無需外界電力的液態(tài)金屬泵，通過將其限定于閥座內(nèi)，可達(dá)到自行旋轉(zhuǎn)并泵送流體的目的，據(jù)此可快速制造出大量微泵，滿足諸如藥液、陣列式微流體的輸運等，成本極低；若將此類柔型泵用作降溫，還可實現(xiàn)高度集成化的微芯片冷卻器；進一步的應(yīng)用可發(fā)展成血管或腔道機器人甚至是可自我組裝的液態(tài)金屬智能機器等。
刊載上述首創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)的文章在線發(fā)表后，短時間內(nèi)即引起世界范圍內(nèi)眾多科學(xué)雜志、專業(yè)網(wǎng)站和新聞媒體的高度重視。New Scientist 在第一時間以文章和精心制作的視頻進行了報道：《液態(tài)金屬朝可變形機器人邁進一步》(Liquid metal brings shape-shifting robot a step closer)，指出其“將成為今后電影中人工生命的種子”；Nature 雜志在其研究亮點欄目以《液態(tài)金屬馬達(dá)靠自身運動》(Liquid metal motor moves by itself )為題進行了報道；Science網(wǎng)站發(fā)布觀察文章和視頻：《可變形金屬馬達(dá)擁有一系列用途》(Shape-shifting metal motor has a variety of uses)；路透社也對此進行了專門報道。據(jù)初步統(tǒng)計，文章發(fā)表兩周左右即已有數(shù)百個科學(xué)或?qū)I(yè)網(wǎng)站對此進行了評介和轉(zhuǎn)載，說明了該項研究工作的影響。
自驅(qū)動液態(tài)金屬機器的問世引申出了全新的可變形機器概念，將顯著提速柔性智能機器的研制進程。當(dāng)前，全球圍繞先進機器人的研發(fā)活動正處于如火如荼的階段，若能充分發(fā)揮液態(tài)金屬所展示出的各種巨大潛力，并結(jié)合相關(guān)技術(shù)，將引發(fā)諸多超越傳統(tǒng)的機器變革。劉靜小組關(guān)于液態(tài)金屬自驅(qū)動效應(yīng)和相應(yīng)機器形態(tài)的發(fā)現(xiàn)，為今后發(fā)展高級的柔性智能機器人技術(shù)開辟了全新途徑，具有十分重要的科學(xué)意義和實際應(yīng)用價值。
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可變形液態(tài)金屬機器在內(nèi)含電解液的容器或各種槽道中的自主運動情形
自主型液態(tài)金屬機器所展示的人工軟體動物、實物馬達(dá)及其驅(qū)動流體情形
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