2018年12月13日 | 柔性机器人作为一个新兴领域 开始获得越来越广泛的关注

柔性机器人作为一个新兴领域，从机械学、物理学到生物学，都已获得越来越广泛的关注。然而具有刚性对应物的传统材料很难灵活地转变为多种形态。镓基液态合金具有优异的导热性和导电性、低黏度、良好的流动性和生物相容性，在先前的研究中，其展现出了在外加电场和牺牲金属的刺激下变形和运动的能力，在柔性机器人领域被寄予厚望。

镓基合金一直以银白色的金属光泽示人。近日，中科院理化所研究报道了液态金属表面在牺牲金属或电场的刺激下可产生变色现象，使得液态金属具备了类似章鱼等头足纲动物的柔软、可变形变色的特点。

该研究由中科院理化所研究员饶伟和宋恺合作，成果已于近日发表于期刊。

从意外发现到有序调控

“镓基液态金属的变色主要缘于对光路的调控。”采访中，饶伟向《中国科学报》记者详细解释了变色原理，在牺牲金属和外加电场的控制下，镓基液态金属表面生成了一层厚厚的镓（Ga2O3）氧化膜，这层膜的厚度比正常情况下生成的Ga2O3氧化膜厚数百倍，与光的波长量级相当。

在电场作用下形成的氧化膜上下表面是光滑的，因此入射光在氧化膜表面会发生薄膜干涉，从而产生五颜六色的色彩。而在牺牲金属作用下，氧化膜的下表面并不光滑，没有发生薄膜干涉，同时由于氧化膜内部多孔结构产生了瑞利散射，表面呈现金黄的色彩，随着原反应的进行，氧化膜下表面的液态金属上会产生很多孔洞，这些孔洞相当于一些黑体，吸收了入射的光线，随着孔洞的数量增加，大部分光线被孔洞吸收，液态金属表面逐渐呈现黑色。

“其实这是一个十分偶然而又有趣的实验现象。”饶伟介绍研发过程时表示，理化所低温生物与医学实验室在2016年发现了液态金属在石墨表面上的自由塑形效应，液态金属吞噬铝箔之后可在石墨基底板上伸出若干个伪足发生形变，犹如神奇的变形虫。

“我们在重复这一实验过程中，无意中提升了一下铝箔和液态金属的重量比，结果发现液态金属在牺牲金属的刺激下不仅发生了形状各异的变形（花朵状、雪花状），还产生了从浅黄色、金黄色、浅棕色、深棕色再到黑色的变色现象。”饶伟说。

这样一个奇特的现象引起了团队极大的研究兴趣。“为了对变色过程进行有序的调控，我们进一步剖析了这一变色现象背后深刻的科学机理，发现变色与液态金属液滴表面电场电势的高低有着密切的联系，于是通过巧妙的环形电极设计，在金属液滴表面形成了有序的电势梯度，从而得到了五彩斑斓的色彩。”饶伟表示。

科学的发现既有偶然性，又存在着必然性。饶伟认为，正是实验室团队长期在液态金属研究领域的积累，使得其团队发现了意料之外的神奇现象，“对于非常规效应的好奇和铆足劲头的深究正是科学探索的美妙之处”。

液态金属合金是关键

在柔性机器人的使用上，液态金属可在电场、磁场及超声等外场作用下诱发其一系列的旋转、定向运动及合并—断裂—再合并等复杂的行为模式。在电场控制下，可以实现比表面积变化达1000倍的可逆变换，这一超常的大尺度变形能力为可变形机器人的研制提供了十分便捷的条件。

“室温液态金属是一类集金属与流体特性于一体的多能性材料，作为一大类新兴的功能材料，液态金属最大的特点是打破了固体金属和传统流体材料之间的壁垒，可以在室温下实现灵活的固液转变，具备作为尖端材料的潜质。”饶伟表示，与传统金属材料、形状记忆合金等材料相比，液态金属具有高导电、高导热、流动性、可化学修饰及室温可变形等罕见的全能特征。

前不久，中国科学技术大学精密机械与精密仪器系副教授张世武研究团队与其他团队组成的联合研究组，设计了基于镓基室温液态金属的新型机器人驱动器，创造出液态金属驱动的功能性轮式移动机器人。

这种液态金属材料就是共晶镓铟（EGn）的液态金属合金，“合金由75％的镓和25％的铟组成，其熔点为15.5℃，在室温下为液体。该液态金属具有低黏度和高表面张力，类似于汞。然而与汞不同，EGaIn 具有低毒性和可忽略不计的蒸气压，使其在实验室和工业应用中更为安全。”张世武告诉《中国科学报》。

镓铟合金作为“液体”，具备柔软、可变形、可拉伸、可重构，且可自我修复等特性；作为“金属”，它们具有高的导电性和导热性。理化所研究团队通过在溶液中引入表面张力的梯度， 发现了它们前所未有的驱动行为，利用其在微机电系统中实现了“软发动机”。

饶伟评价说，这项研究是利用电场调控封闭在狭长轮体内部的液态金属变形来改变车轮的重心，从而驱动车轮进行滚动。“这项研究提供了一种构造简单的驱动装置，或许可以解决柔性机器人动力方面的一些问题。”

“液态金属机器人具备许多独特的优点，如简单的制造工艺、没有传统的移动部件、易于维护和相对低的功耗等。”张世武说。

实现用途还有很多难题

实际上，设计出能以可控方式在不同形态之间自由转换的机器，并创造出高智能设备代替人类执行更为特殊高级或危险复杂的任务，一直是全球科学界与工程界的一个梦想。

软体机器人拥有机动灵活及强度可变等综合特性，可使人类的感知和行动延伸到无法接近且恶劣的环境中。饶伟举例道，比如，在抗震救灾或军事行动中，此类机器人能根据需要适时变形，以穿过狭小空间并可重新恢复原形以继续执行任务；在医学实践中，研制出可沿血管包括人体腔道自由运动，以执行各种在体医学任务的柔性机器人，是机械与现代医学前沿共同追求的十分现实的重大科学目标，极具临床价值。

虽然应用前景向好，但液态金属柔性机器人仍面临着很多挑战和难点。饶伟介绍，现阶段，柔性机器人多是单一的运动模式，如蠕动、旋转、爬行、逆重力攀爬、大尺度变形等，在多任务之间灵活切换的智能机器人研究方面仍有很多难点。除功能单一外，柔性机器人的结构也较为简单，发展类生物体的功能和结构共融一体化的柔性机器人，也面临诸多难题。

可变色的柔性机器人在军事领域极具应用价值，目前的军事伪装手段一般是静态的，很难根据季节和现场情况的变化进行相应调整，某些特殊情况下的伪装由于不能实时变化，反而容易暴露目标。“发展可根据环境变化而变色的柔性机器人，极具军事颠覆性。”饶伟说。