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刘静小组发现系列液态金属基础现象与机器运动变形机制

  清华新闻网9月9日电 近期,在之前取得的关键突破基础上,由刘静教授带领的清华大学与中国科学院理化技术研究所联合小组,再度发现系列独特的液态金属基础效应、科学现象与可变形机器运动形态,为新兴的液态金属柔性智能机器的研制和应用进一步打下理论与技术基础。

  在《Small(微小)》上在线发表的题为“基于自驱动液态金属马达群碰撞与融合行为的过渡态机器”(Transient state machine enabled from the colliding and coalescence of a swarm of autonomously running liquid metal motors, 2015-08-17)论文中,研究小组首次定义并证实了一种崭新的机器形态-过渡态机器,论文被选为期刊内封面故事。文章第一作者为医学院博士后盛磊,通讯作者为刘静教授。

  此前,团队曾首次发现 “仿生型自驱动液态金属软体动物”(Zhang et al., Advanced Materials(先进材料), 2015, 内封面文章),及无槽道式制备金属微滴的原理(Yu et al., Advanced Engineering Materials(先进工程材料), 2014, 封面文章),结合上述双重机制,作者们偶然发现采用注射方式可瞬间制造出大量四处奔跑的液态金属马达群,如同中国古典小说《西游记》中所描述的孙悟空拔出汗毛变成一大群小猴的情形;而且,处于NaOH溶液环境中的液滴机器会表现出碰撞、吸引、融合、反弹、排列组合等一系列丰富的物理学图景和有趣行为(图1),并可根据需要在形态、尺寸和速度各异的机器架构间发生转换。这一发现为研制可自我组装和分身型软体机器以及注射式微型医疗器件、药物载送等提供了重要启示。

图1 《Small》内封面故事及液态金属机器群碰撞排列与过渡形态。

  而在《Applied Physics Letters(应用物理快报)》论文“阻止自驱动微小液态金属马达运动的磁阱效应”(Magnetic trap effect to restrict motion of self-powered tiny liquid metal motors, 2015-08-17)中,作者们发现了一类有趣的磁阱效应(图2):对于直径在1mm以下的液滴马达群,一定强度的磁场就足以将其从隐形的边界上反弹回。由于Lorentz力作用,液滴表面电荷越多,则磁阱效应越强。这一发现指出了一条控制液态金属马达行为的重要途径。文章共同第一作者为理化所硕士生谭思聪、医学院硕士生桂晗,通讯作者为刘静教授。

图2 磁场作用下铝质驱动液态金属马达的运动机制与磁陷阱效应。

  在发表于《Proceedings of the Royal Society A(英国皇家学会会刊A)》的题为“溶液内液态金属球形或池形物体的电磁旋转运动”(Electromagnetic rotation of liquid metal sphere or pool object inside solution, 2015-04-8)论文中,作者们发现,耦合外加磁场和电场可实现溶液中单颗金属液滴的离心旋转操控,相应研究被选为期刊封面故事(图3)。这种液态金属电动机在发展柔性旋转机器、光电芯片冷却、液态金属泵、材料配制设备等方面有重要用途。文章第一作者为理化所博士后王磊,通讯作者为刘静教授。

图3 期刊封面故事及液态金属与溶液受外磁场和电场耦合驱动情形。

图4 铝质驱动液态金属马达产生的氢气流轨迹与驱动颗粒运动情形。

  此外,在期刊《Science Bulletin(科学通报)》发表的系列研究中,作者们还先后揭示出了液态金属马达的自驱动宏观布朗运动现象及其固-液界面接触产氢机制(2015-07,图4),以及在轨运行液态金属车辆间的协同运动与无缝连接行为(2015-05,封面文章,图5),包括金属液滴接触融合过程中的动态变形弹簧与弹射现象等(2015-03,图6),揭开了其中的控制因素如表面张力波、电双层效应等。文章第一作者分别有来自医学院的博士生张洁、姚又友和理化所博士生袁彬,通讯作者为刘静教授。

图5 期刊封面故事及在轨运行液态金属车辆的碰撞与融合情形。

图6 被作者命名为液态金属弹簧的金属液滴震荡融合与弹射现象。

  传统上,由刚体材料制成的运动机器,甚至是自然界中的生命体,通常均不具备自动融合或分离的能力。可自动组装并能随意变形的液态金属柔性机器为此打开了全新突破口,这对未来的智能材料、柔性血管机器人设计,以及流体力学包括软物质研究会起到重要启示,相应发现显著扩展了人们对于复杂流体及液态金属材料的传统认识,同时也为金属液滴(马达)的生成、操控、3D打印乃至流体特性的刻画提供了基本工具。
 

论文链接:
1. http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.201501364/full
2. http://scitation.aip.org/content/aip/journal/apl/107/7/10.1063/1.4928713
3. http://dx.doi.org/10.1098/rspa.2015.0177
4. http://link.springer.com/article/10.1007%2Fs11434-015-0836-6
5. http://link.springer.com/article/10.1007%2Fs11434-015-0786-z
6. http://link.springer.com/article/10.1007/s11434-015-0751-x/fulltext.html

 

视频链接:
1. http://v.youku.com/v_show/id_XMTMyNDA0NDI5Ng==.html
2. http://dx.doi.org/10.1063/1.4928713.1
3. http://v.youku.com/v_show/id_XMTMzMDMzODIwOA==.html?from=y1.7-2
4. http://www.edge-cdn.net/video_875217?playerskin=37016
5. http://www.eurekalert.org/pub_releases/2015-04/scp-aca042715.php
6. http://v.youku.com/v_show/id_XMTMyOTk0NDc4NA==.html

 

供稿:医学院 编辑:襄桦

(http://news.tsinghua.edu.cn)
[更新:2015-09-09 15:36:12]
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