來源 | 上?！犊茖W(xué)》雜志2022年第74卷第2期

　　題目 | 液態(tài)金屬3D打印技術(shù)

　　作者 | 汪鴻章 陳 森 單曉暉

　　液態(tài)金屬多變形現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，被認(rèn)為預(yù)示著柔性機(jī)器人新時代的到來，而液態(tài)金屬自驅(qū)動仿生軟體動物效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)更將這一研究推向激動人心的熱潮。發(fā)展至今，液態(tài)金屬機(jī)器人已被公認(rèn)為機(jī)器人領(lǐng)域中最具發(fā)展前景的十大方向之一。隨著研究的持續(xù)推進(jìn)，一系列形態(tài)各異的液態(tài)金屬機(jī)器人正向我們款款走來。

　　機(jī)器人是一種能夠自主或半自主執(zhí)行功能的智能機(jī)器，有沒有一種機(jī)器人可在不同形態(tài)之間任意切換，以執(zhí)行傳統(tǒng)機(jī)器人難以完成的特殊任務(wù)?如在抗震救災(zāi)過程中，機(jī)器人可改變自身形態(tài)，穿越建筑廢墟的狹縫，完成探測救援任務(wù);又如，在遭受巨大的破壞后，機(jī)器人可瞬間自修復(fù)，繼續(xù)執(zhí)行功能。這一功能的實體早在中國神話故事中就已出現(xiàn)：“土行孫”可直接穿越泥土的狹縫;孫悟空具有隨意變身的法術(shù)。實現(xiàn)任意變形的功能不僅僅是出現(xiàn)在神話中，也是全世界科技界和工程界的夙愿?？苹秒娪啊督K結(jié)者》中的可變形液態(tài)金屬機(jī)器人T-1000則將這一夙愿推向了高潮。液態(tài)金屬機(jī)器人可以化成流淌的液體鉆過任意狹縫，又可緩緩浮出地面，自組裝成人形;即使身體裂開兩半，也可以瞬間恢復(fù)如初。這一天馬行空想象，成為一批科學(xué)家矢志不渝、努力奮斗的終極目標(biāo)。T-1000的科技原型液態(tài)金屬機(jī)器正是他們所研究的對象，而中國在這一領(lǐng)域處于國際競爭的前沿。

液態(tài)金屬可變形機(jī)器人示意

　　液態(tài)金屬典型特征是具有良好的流動性、超高的導(dǎo)電導(dǎo)熱特性、低熔點和高沸點、高表面張力、多刺激響應(yīng)特性。液態(tài)金屬可變形機(jī)器人主要是由鎵和鎵基合金構(gòu)成，具備智能響應(yīng)特性，可自主或半自主執(zhí)行功能，為智能機(jī)器人的研究提供了廣闊的空間。液態(tài)金屬機(jī)器人技術(shù)一旦突破成功，將科幻帶進(jìn)現(xiàn)實，必將革新人類日常生活的方方面面。

　　液態(tài)金屬大尺度變形現(xiàn)象

　　2014年，我國科學(xué)家首次揭示了液態(tài)金屬可在不同形態(tài)之間可逆切換行為 [3]，開啟了液態(tài)金屬可變形機(jī)器從科幻逐漸走進(jìn)現(xiàn)實的新時代。研究者發(fā)現(xiàn)，浸沒在水中的鎵基液態(tài)金屬可在低電壓刺激下，呈現(xiàn)出大幅度變形行為，一灘液態(tài)金屬可在瞬間收縮為金屬液滴，表面積變化可達(dá)上千倍，甚至可以輕易鉆過較自身狹窄多倍的縫隙。液態(tài)金屬可以“分身”出若干金屬液滴，并有序向一側(cè)移動;不僅如此，兩個分離的液態(tài)金屬球可以相互靠近并融合，合二為一。調(diào)整電壓和電極位置，液態(tài)金屬還可以實現(xiàn)高速自旋運動以及定向高速運動。進(jìn)一步地，研究者發(fā)現(xiàn)通過化學(xué)—電學(xué)協(xié)同控制，精確調(diào)控表面張力，可實現(xiàn)完全可逆的變形行為，液態(tài)金屬可以在球體和鋪展?fàn)顟B(tài)之間可逆調(diào)節(jié)。研究者揭示了這一系列變形行為與界面雙電層的形成和液態(tài)金屬表面可逆氧化有關(guān)。調(diào)整接觸基底、電解質(zhì)類型，還可以實現(xiàn)更多千奇百怪的行為。例如，在浸入堿性溶液的石墨表面，液態(tài)金屬可以快速鋪展開來，能被塑造成更多形狀。在電場作用下，液態(tài)金屬甚至可逆重力蠕動爬行。結(jié)合3D打印固體器件，液態(tài)金屬還可以作為可變形車輪，在低電壓刺激下，即可帶動車身運動，遇到狹窄的槽道，液態(tài)金屬變形以帶動車身鉆過狹縫。

　　研究團(tuán)隊進(jìn)一步拓展了液態(tài)金屬可變形機(jī)器的多場驅(qū)動方式，通過金屬胞吞作用，賦予液態(tài)金屬以磁響應(yīng)特性，以擺脫機(jī)器受限于溶液環(huán)境的問題，從而實現(xiàn)三維空間的可控運動。通過磁場調(diào)控，液態(tài)金屬機(jī)器還可實現(xiàn)可逆的固液切換，使得剛?cè)岵?jì)的可變形機(jī)器人成為了可能。

　　這些基礎(chǔ)發(fā)現(xiàn)革新了人們對于液態(tài)金屬可變形機(jī)器的認(rèn)識，通過傳統(tǒng)的剛性材料或流體是難以復(fù)現(xiàn)上述現(xiàn)象。事實上，這些行為已經(jīng)滿足構(gòu)筑液態(tài)金屬可變形機(jī)器的基本要素，為研制新型可變形機(jī)器開辟了全新途徑。這一工作在國際上引發(fā)重大反響，成為液態(tài)金屬可變形機(jī)器人領(lǐng)域的開端。

　　液態(tài)金屬大尺度變形與運動 (a)一灘液態(tài)金屬收縮成為一滴金屬球;(b)兩滴液態(tài)金屬球融為一體;(c)液態(tài)金屬球在電場刺激下鉆過較自身狹窄多倍的狹縫，穿越后恢復(fù)原狀。

　　液態(tài)金屬爬行機(jī)器人

　　爬行軟體機(jī)器人是一類用柔性可變形材料研制的機(jī)器人，能夠自由改變自身的形狀，實現(xiàn)多種運動功能。自然界中各種生物經(jīng)過數(shù)億年的演化，可以通過各種身體變化以在復(fù)雜的自然環(huán)境中快速運動。例如，樹上的尺蠖利用身體的收縮以及頭部和尾部摩擦力的變化，實現(xiàn)定向蠕動爬行，在樹葉間來回穿梭。液態(tài)金屬具有良好的熱導(dǎo)率，可以更快地傳導(dǎo)熱量，研究人員利用這個特性，從而仿生制造了一種可以在溫度刺激下可控運動的爬行機(jī)器人。研究人員巧妙地將高導(dǎo)熱率的液態(tài)金屬與低沸點液體和硅橡膠混合，開發(fā)出一種具有溫度響應(yīng)功能的液態(tài)金屬復(fù)合材料作為爬行機(jī)器人軀干，使其可在外界溫度刺激下實現(xiàn)快速大尺度膨脹和收縮。借助結(jié)合3D打印技術(shù)加工的具有選擇性抓取和放松(改變摩擦力) 的雙足，爬行機(jī)器人可以在冷熱刺激下充分發(fā)揮液態(tài)金屬復(fù)合材料的可控收縮和膨脹性能，以改變機(jī)器人軀干的長度，驅(qū)動機(jī)器人向前運動。

　　不僅仿生蠕蟲爬行機(jī)器人的研發(fā)和應(yīng)用受到了廣泛關(guān)注，彈跳、滾動等運動形式的機(jī)器人也引起研究人員的興趣。例如，利用液態(tài)金屬產(chǎn)生氫氣后使其爆炸提供動力，可使彈跳型運動機(jī)器人實現(xiàn)自身高度數(shù)十倍的跳躍并輕松跨越障礙，展現(xiàn)其在探險和救援領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力;利用熱刺激、電刺激或化學(xué)刺激等方式持續(xù)驅(qū)動液態(tài)金屬液滴運動，可使輪式液態(tài)金屬運動機(jī)器人改變重心，實現(xiàn)持續(xù)滾動功能。這一系列液態(tài)金屬爬行運動機(jī)器人的創(chuàng)新研究與新型應(yīng)用，彌補了傳統(tǒng)剛性機(jī)器人剛性結(jié)構(gòu)及驅(qū)動復(fù)雜等缺陷，擴(kuò)大了機(jī)器人的應(yīng)用范圍，促進(jìn)了特種機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展。

　　液態(tài)金屬水下機(jī)器人

　　我們生活在一個藍(lán)色星球，其中水域面積占地球總面積的71%左右。在這廣闊無垠的水面下蘊藏著巨大的寶藏，而為了對水下情況進(jìn)行探索就須使用水下機(jī)器人。對于水母，相信很多人都見過，它晶瑩剔透，游動時動作優(yōu)美、流暢、靈活、高效，因而成為水下機(jī)器人領(lǐng)域競相模仿的對象。液態(tài)金屬在室溫條件下具有良好的流動性和導(dǎo)電性，研究人員基于此特性制造了一種可在水下工作的水母機(jī)器人并完成了綜合測試 [6]。為了制備液態(tài)金屬水母機(jī)器人，研究人員首先通過倒模制造了硅膠流道，將液態(tài)金屬注入流道中，由此可制成具有液態(tài)金屬線圈的彈性膜。然后，永磁鐵被放入水母傘狀體中用以產(chǎn)生磁場，在永磁鐵產(chǎn)生的磁場中，對液態(tài)金屬線圈通入電流使薄膜受到安培力作用。當(dāng)通交流電時，薄膜將受到吸引和排斥的力，通過上下運動帶動周圍的薄膜以及觸手運動。該方法利用液態(tài)金屬柔性線圈在電磁場中的運動實現(xiàn)了液態(tài)金屬水母機(jī)器人在水下的運動。實驗表明，此仿生水下機(jī)器人運動輕柔，對周圍生物的影響甚微，具有獨特的優(yōu)勢，有望用于水下救援、調(diào)查取樣、海底監(jiān)測、資源探測等各種領(lǐng)域。

　　液態(tài)金屬水下機(jī)器人 (a)游動的水母;(b)液態(tài)金屬水母機(jī)器人;(c)液態(tài)金屬水母機(jī)器人用于監(jiān)測;(d)液態(tài)金屬水母機(jī)器人運動輕柔，不會影響游動的小魚。

　　液態(tài)金屬微納米機(jī)器人

　　微納米機(jī)器人屬于分子仿生學(xué)的范圍，以分子水平的生物學(xué)原理作為設(shè)計原型，在微納米空間制作微型機(jī)器人。因為其獨特的優(yōu)勢，微納米機(jī)器人研究吸引了國內(nèi)外大量研究人員的關(guān)注，一些科研成果已經(jīng)開始用于醫(yī)療和國防等領(lǐng)域。以往的研究中，研究人員利用已知的生物或細(xì)胞結(jié)構(gòu)作為納米機(jī)器人的結(jié)構(gòu)骨架來制備微納米機(jī)器人，獲得了納米齒輪、納米馬達(dá)、血管機(jī)器人等多種微納米機(jī)器。那么液態(tài)金屬作為一類性能優(yōu)異的可被多場驅(qū)動的智能軟材料，能否用于制造微納米機(jī)器呢?答案是肯定的。經(jīng)過數(shù)年的努力，我國液態(tài)金屬微納米機(jī)器人技術(shù)獲得了長足的發(fā)展，研究人員制造了多種液態(tài)金屬微納米機(jī)器人，并且逐步將這些機(jī)器人應(yīng)用于實際中。研究人員也發(fā)現(xiàn)，聲場也可對大量液態(tài)金屬微納米顆粒進(jìn)行調(diào)控，實現(xiàn)液態(tài)金屬微納米液滴運動等功能 [7]。利用這種聲場驅(qū)動的特性，液態(tài)金屬微納米機(jī)器人可用于靶向疾病治療?；谝簯B(tài)金屬的優(yōu)異特性，我們有理由相信在不遠(yuǎn)的將來，液態(tài)金屬微納米機(jī)器人將在更多的領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

　　液態(tài)金屬自驅(qū)動機(jī)器人

　　液態(tài)金屬最令人驚異的行為或許是可以像生命那樣通過吞食“燃料”獲得長時間運動的能力。世界上首個液態(tài)金屬自主運動機(jī)器或稱仿生軟體動物于2015年誕生 [8]，宣告液態(tài)金屬智能機(jī)器邁入新時代，為人類研制自主獨立的可變形機(jī)器“終結(jié)者”指明了方向。研究發(fā)現(xiàn)置于電解質(zhì)溶液中的液態(tài)金屬可通過“吞食”微量鋁箔補充能量，實現(xiàn)高速、高效的運動，直徑僅為幾毫米的金屬機(jī)器可以持續(xù)運動超過1小時，速度每分鐘可達(dá)數(shù)千毫米。有意思的是，該變形機(jī)器不僅能在自由空間運動，在特殊槽道空間亦可蜿蜒前行，還可根據(jù)槽道寬窄調(diào)節(jié)自身體積從而順利通過。在圓形槽道中的液態(tài)金屬機(jī)器可被分離成若干個小型液態(tài)金屬機(jī)器，它們可以相互追逐，最終能融為一體，繼續(xù)運動。該液態(tài)金屬機(jī)器的尺寸可大可小，從數(shù)十微米到數(shù)十毫米不等。在中性溶液乃至酸堿溶液中均可自主運動。更有趣的是，液態(tài)金屬機(jī)器置于電解質(zhì)溶液中的石墨表面，可以自主伸出“偽足”，仿佛在探索周圍的環(huán)境，這已經(jīng)相當(dāng)接近于自然界的原生動物。

　　自驅(qū)動現(xiàn)象背后的機(jī)制也被揭示，液態(tài)金屬、金屬燃料等形成的內(nèi)生電場，誘發(fā)了液態(tài)金屬的表面張力差異，從而對變形的液態(tài)金屬機(jī)器帶來了強大推力。另外，電化學(xué)反應(yīng)過程中產(chǎn)生的氣體進(jìn)一步為液態(tài)金屬運動提供了助力。雙重作用產(chǎn)生了液態(tài)金屬自驅(qū)動行為。研究者基于此原理研制了無需外界電力的液態(tài)金屬泵，可以實現(xiàn)藥液和冷卻流體的輸運，有望用于血管或腔道機(jī)器人、芯片冷卻裝置等。這一突破性發(fā)現(xiàn)為研制實用化可變形機(jī)器人奠定了理論和技術(shù)基礎(chǔ)，在國際上引起了較大反響，先后得到Nature、Nature Materials、Science News等的評介報道，國際知名雜志發(fā)表評論稱“真正的液態(tài)金屬終結(jié)者T-1000誕生于中國實驗室”。

　　自驅(qū)動液態(tài)金屬機(jī)器 (a)單個液滴自驅(qū)動并沿著Z形軌道蜿蜒前行;(b)3個液態(tài)金屬機(jī)器相互追逐行為，最終融為一體;(c)自驅(qū)動液態(tài)金屬自主變形行為，仿佛原生動物伸出偽足。

　　結(jié) 語

　　總的來說，不同于傳統(tǒng)的固態(tài)機(jī)器，液態(tài)金屬機(jī)器的問世引申出全新的可變形機(jī)器人概念，已被公認(rèn)為機(jī)器人領(lǐng)域最具發(fā)展前景的重大方向之一。液態(tài)金屬機(jī)器還處在方興未艾的早期階段，大部分屬于基礎(chǔ)技術(shù)探索，成熟的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用非常少，距離研發(fā)出實際可應(yīng)用于生活的“終結(jié)者”變形機(jī)器人還有很長的路要走。不過毫無疑問，目前取得的系列進(jìn)展足以令人興奮，從宏觀到微觀均有涉及，科幻電影中的情節(jié)也與現(xiàn)實越來越近，有望滿足科學(xué)界和工業(yè)界對可變形機(jī)器的重大需求。因此需要一大批學(xué)者和產(chǎn)業(yè)界通力合作，構(gòu)建基礎(chǔ)理論框架，突破技術(shù)瓶頸，把握發(fā)展機(jī)遇，推動液態(tài)金屬可變形機(jī)器人早日落地產(chǎn)業(yè)化。

　　國內(nèi)團(tuán)隊目前仍然占據(jù)液態(tài)金屬可變形機(jī)器人領(lǐng)域的研究高地，包括清華大學(xué)、中國科學(xué)院、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、蘇州大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、武漢大學(xué)、華中科技大學(xué)、深圳大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)的學(xué)者和產(chǎn)業(yè)界做出了突出貢獻(xiàn)。作為新興概念和產(chǎn)業(yè)，液態(tài)金屬可變形機(jī)器蘊含著眾多的研究機(jī)遇，諸如液態(tài)金屬智能復(fù)合材料的發(fā)展，揭示新材料的獨特變形運動機(jī)理，構(gòu)筑調(diào)控手段;液態(tài)金屬與生物學(xué)、機(jī)器人、電子學(xué)等領(lǐng)域的交叉融合，進(jìn)一步促成液態(tài)金屬可變形機(jī)器人理論與應(yīng)用技術(shù)體系革新，為學(xué)科前沿提供豐富的研究空間;從工業(yè)實際需求切入，精準(zhǔn)推動液態(tài)金屬可變形機(jī)器人的基礎(chǔ)研發(fā)，構(gòu)建配套基礎(chǔ)設(shè)施，并逐漸培育產(chǎn)業(yè)化市場，促進(jìn)工業(yè)體系發(fā)展。