刘静小组研发出世界首个自主运动的可变形液态金属机器
研究成果被国际学术媒体广泛关注

  清华新闻网3月24日电 近日,清华大学医学院生物医学工程系刘静教授小组联合中国科学院理化技术研究所,在《先进材料》(Advanced Materials)上发表了题为“仿生型自驱动液态金属软体动物”(Self-Fueled Biomimetic Liquid Metal Mollusk, 2015)的论文,迅速被New Scientist、Nature研究亮点、Science新闻等数十个知名科学杂志或专业网站专题报道,在国际上引起广泛反响和热议。

 

文章被选为《先进材料》内封面故事

  文章第一作者为清华大学2012级博士生张洁,通讯作者为刘静教授。文章被选为期刊内前封面故事。Altmetric计量学指数显示自3月3日在线发表到3月19日时已达71.0,远高于期刊平均值6.7,在同时期论文中则排名第一。

  此项研究于世界上首次发现了一种异常独特的现象和机制,即液态金属可在吞食少量物质后以可变形机器形态长时间高速运动,实现了无需外部电力的自主运动,从而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。这是该小组继首次发现"电控可变形液态金属基本现象"(Sheng et al., Advanced Materials, 2014, 封面文章; Zhang et al., Scientific Reports, 2014 )之后的又一突破性发现。这种液态金属机器完全摆脱了庞杂的外部电力系统,从而向研制自主独立的柔性机器迈出了关键的一步。

可变形液态金属机器在内含电解液的容器或各种槽道中的自主运动情形

  研究揭示,置于电解液中的镓基液态合金可通过“摄入”铝作为食物或燃料提供能量,实现高速、高效的长时运转,一小片铝即可驱动直径约5 毫米的液态金属球实现长达1个多小时的持续运动,速度达5cm/s。这种柔性机器既可在自由空间运动,又能于各种结构槽道中蜿蜒前行;令人惊讶的是,它还可随沿程槽道的宽窄自行作出变形调整。应该说,液态金属机器一系列非同寻常的习性已相当接近一些自然界简单的软体生物,比如:能“吃”食物(燃料),自主运动,可变形,具备一定代谢功能(化学反应),因此作者们将其命名为“液态金属软体动物”。这一人工机器的发明同时也引申出“如何定义生命”的问题。

自主型液态金属机器所展示的人工软体动物、实物马达及其驱动流体情形

  试验和理论分析表明,此种自主型液态金属机器的动力机制来自两方面:一方面发生在液态合金、金属燃料及电解液间的伽伐尼电池效应会形成内生电场,从而诱发液态金属表面的高表面张力发生不对称响应,继而对易于变形的液态金属机器造成强大推力;另一方面,上述电化学反应过程中产生的氢气也进一步提升了推力。正是这种双重作用产生了超常的液态金属马达行为,这种能量转换机制对于发展特殊形态的能源动力系统也具重要启示意义。目前,实验室根据上述原理已能制成不同大小的液态金属机器,尺度从数十微米到数厘米,且可在不同电解液环境如碱性、酸性乃至中性溶液中运动。

Nature研究亮点报道,左下为液态金属马达有关阐述

  刊载上述首创性发现的文章在线发表后,短时间内即引起世界范围内众多科学杂志、专业网站和新闻媒体的高度重视。New Scientist在第一时间以文章和精心制作的视频进行了题为“液态金属朝可变形机器人迈进一步的”报道;Nature杂志在其“研究亮点”栏目以“液态金属马达靠自身运动”为题进行了报道;Science网站发布题为“可变形金属马达拥有一系列用途”的观察文章和视频;路透社记者则专程到实验室进行实地拍摄和采访。更多网站则纷纷展望了这一技术在机器人、药物递送、血管和环境监测等方面的应用前景,指出“液态金属机器人几乎已在这儿,并且他们由中国制造”(Space Daily网站)。

  自驱动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。刘静小组关于液态金属自驱动效应和相应机器形态的发现,为今后发展高级的柔性智能机器人技术开辟了全新途径。

  论文、在线材料及视频链接:http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201405438/full

  New Scientist报道http://www.newscientist.com/article/dn27127-liquid-metal-brings-shapeshifting-robot-a-step-closer.html#.VQP0FHkxhmM

  Nature杂志“研究亮点”栏目报道http://www.nature.com/nature/journal/v519/n7543/full/519264d.html
  Science网站报道http://news.sciencemag.org/sifter/2015/03/watch-shape-shifting-metal-motor-has-a-variety-of-uses

供稿:医学院 学生编辑:柔 香

2015年03月24日 16:31:17  清华新闻网

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