說起液態(tài)金屬，很多人第一時間想到的，恐怕是電影《終結(jié)者》中可以任意變換形態(tài)的“液體機器人”。這個目前還僅僅存在于科幻作品中的形象，在未來有了實現(xiàn)的可能。日前，清華大學醫(yī)學院與中國科學院理化技術研究所聯(lián)合研究小組的發(fā)現(xiàn)，首次揭示了液態(tài)金屬的節(jié)律性自發(fā)振蕩效應和跳躍現(xiàn)象，并研發(fā)出了自驅(qū)動的磁性液態(tài)金屬機器以及由金屬液滴車輪驅(qū)動的三維打印“車輛”。

也正是這一研究小組，在2015年3月研發(fā)出了世界首個自主運動的可變形液態(tài)金屬機器，引領柔性機器研制的方向，此次突破更是有望提升柔性智能機器的研制進程。

液態(tài)金屬機器人進化了！

液態(tài)金屬的進化才剛剛開始

液態(tài)金屬是指在常溫常壓下像水一樣呈液態(tài)的金屬。金屬熔點較高，通常除了水銀，常規(guī)環(huán)境下的金屬多呈固態(tài)。讓金屬在相對低溫條件下呈現(xiàn)液態(tài)，展現(xiàn)神通廣大的本領，曾被認為是異想天開。

中科院理化技術研究所雙聘研究員、清華大學教授劉靜帶領團隊在液態(tài)金屬領域，經(jīng)過十多年研究探索，發(fā)現(xiàn)了液態(tài)金屬在材料學、熱學、流體、電子學、生物醫(yī)學及柔性機器等方面的一系列獨特機理，并從一開始就探索各種可能的應用方向。

2013年，劉靜團隊把液態(tài)金屬做成打印“墨水”，首次研發(fā)出紙上直接生成電子電路的技術。一年后，團隊又研發(fā)出世界首臺室溫液態(tài)金屬打印機，借助該設備，只需在計算機上設定程序，就可以“打”出個性化的電路系統(tǒng)。

2015年3月，劉靜團隊首次研發(fā)出自主運動的可變形液態(tài)金屬機器。他們發(fā)現(xiàn)液態(tài)金屬擁有一種異常獨特的現(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)長時間運動。這種被劉靜團隊命名為“軟體動物”的液態(tài)金屬人工機器，在形態(tài)上已十分接近自然界簡單的軟體生物。相應發(fā)現(xiàn)為研發(fā)未來可變形機器人邁出了極為關鍵的一步。

一系列探索，為液態(tài)金屬在柔性機器領域的發(fā)展打下了基礎。

業(yè)內(nèi)專家表示，自驅(qū)動液態(tài)金屬機器的問世及其引申出的全新的可變形機器模式，有望變革傳統(tǒng)的機器制造理念，提速柔性智能機器的研制進程。

十多年來，劉靜帶領團隊圍繞液態(tài)金屬開展了大量原創(chuàng)性探索，在芯片冷卻、先進制造、電子技術、生物醫(yī)療及柔性機器等領域取得全面突破。團隊迄今已發(fā)現(xiàn)30類以上具有重要科學意義的液態(tài)金屬基礎現(xiàn)象或效應，研發(fā)出數(shù)十種實用技術。通過這些不懈努力，人們也得以初窺到奇特的液態(tài)金屬同時兼?zhèn)涞目茖W與應用魅力。

不過，劉靜認為，之前發(fā)現(xiàn)的液態(tài)金屬能“吃”、會動的形態(tài)，尚只是柔性機器人發(fā)展的初級階段。“以自然界生物進化的觀點看，先前的工作或許只相當于培育出了基本的功能單元即細胞，要使之成為完整的仿生物體柔性機器人，還需要生長出肌肉、骨骼、器官和皮膚等組織，從這種意義上講，液態(tài)金屬機器人的進化只是剛剛開始。”

新發(fā)現(xiàn)讓液態(tài)金屬成了“運動健將”

劉靜團隊近期的一系列研究成果，正是為推動液態(tài)金屬機器人進化所做的奠基工作。

此前，液態(tài)金屬機器均以純液態(tài)方式出現(xiàn)，雖然也能自主“運動”，但純液體的形態(tài)也讓其運動方式和能力有比較大的局限。在最近刊發(fā)在《尖端科學》上的一篇封面文章中，劉靜團隊首次揭示了一種液態(tài)金屬固液組合機器的自激振蕩效應。他們發(fā)現(xiàn)，將預先處理過的銅絲觸及含鋁的液態(tài)金屬時，銅絲會被液態(tài)金屬迅速吞入，并隨后在液態(tài)金屬機體上做長時間往復穿梭運動，如同演奏音樂中的小提琴琴弦一般。

“沒想到固體金屬絲竟能在液態(tài)金屬基座上做節(jié)律性往復運動，這種振蕩效應在自然界中異常獨特，以往從未見到類似的機器形態(tài)。”劉靜說，這種固液組合機器效應的發(fā)現(xiàn)和技術突破，就好比液態(tài)金屬機器在實驗室中進化出了內(nèi)在的功能性骨骼。業(yè)內(nèi)人士分析，這一發(fā)現(xiàn)革新了傳統(tǒng)的科學理念，為柔性智能機器的研制打開了新思路。

發(fā)表于《應用物理學快報》的論文則讓人們認識到液態(tài)金屬有趣的跳躍行為。研究人員向放有金屬液滴的溶液體系中加入固體金屬顆粒（鎳、鐵等）后，原本靜止的金屬液滴開始跳動起來，并在容器底留下一串餅狀“腳印”。

發(fā)表在《材料化學學報B》的封面文章顯示，研究人員實現(xiàn)了液態(tài)金屬機器在外部磁場或電場作用下的靈活控制。“這好比給液態(tài)金屬機器穿上了一件外衣，相當于為其提供了外骨骼。”劉靜說。

通過對液態(tài)金屬柔性機器運動形態(tài)的進一步研究，研究人員還結(jié)合三維打印技術發(fā)展出了一種以柔性可變形液態(tài)金屬“車輪”驅(qū)動的微型車輛。研究發(fā)現(xiàn)，在電場作用下，液態(tài)金屬“車輪”可發(fā)生旋轉(zhuǎn)變形，繼而驅(qū)動車輛和小船行進、加速乃至實現(xiàn)更多復雜運動。試驗證實，這種形態(tài)的固液組合車輛，擁有類似四驅(qū)車的結(jié)構和原理，可在攜帶在0.4克物體情況下以25毫米/秒的速度運動。

劉靜說，無論是發(fā)現(xiàn)固液組合機器的自發(fā)節(jié)律振蕩效應以及液態(tài)金屬的“跳動”功能，還是在電場作用下的變形運動，都是為了讓液態(tài)金屬擁有更強更復雜的運動能力，意味著在通向未來可能的柔性機器人的道路上發(fā)現(xiàn)了進化的可能和方向，有望衍生出更多復雜的可控機器架構。

劉靜相信，未來能夠進化出非常復雜的液態(tài)金屬機器。

液態(tài)金屬機器未來有望智能起來

液態(tài)金屬自驅(qū)動機器出現(xiàn)時，業(yè)界專家認為，一旦突破了材料和技術理念的限制，就有望發(fā)展出柔性智能機器人。那么，現(xiàn)在我們距離制造出“變形機器人”還有多遠？

“當前，機器人普遍作為一種剛體機器發(fā)揮作用，這與自然界中人或動物有著平滑柔軟的外表以及無縫連接方式完全不同。但它們離理想中的高級機器人所應擁有的柔軟和變形能力還有很大距離。”劉靜說。未來，研究小組將圍繞可變形機器，結(jié)合生物學、機器人、流體力學、電子學以及人工智能等學科的知識，進一步發(fā)展液態(tài)金屬可變形機器的理論與技術，他將研究項目命名為SMILE計劃。“我們希望未來液態(tài)金屬機器人能夠智能起來、擁有記憶和處理功能。不過，機器要發(fā)展出哪怕一點點智能，都需要我們?nèi)ジ冻鼍薮笈Α?rdquo;

專家表示，完全的“變形機器人”，要求內(nèi)部的主要設備也必須采用液態(tài)介質(zhì)。就當前的情況來看，還找不到合適的技術解決這一問題。

劉靜認為，作為新興物質(zhì)科學領域的革命性材料，液態(tài)金屬擁有許多常規(guī)材料所不具備的新奇特性，對它的深入研究能為許多現(xiàn)代科學與工程學提供豐富的研究空間。這些在柔性機器研究方面取得的突破，也帶給芯片冷卻、先進制造、新能源、生物醫(yī)療等領域以研究啟示。他相信，未來液態(tài)金屬研究還將有各種“匪夷所思的發(fā)現(xiàn)”。