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液态金属机器:发现它,控制它,应用它

文章作者:www.cs-vaccine.com发布时间:2020-02-12浏览次数:826

今年夏天,好莱坞新电影《终结者:创世纪》在全球范围内炙手可热。《终结者》在系列的开头,好莱坞导演的想象力得到了施瓦辛格机器人的极大赞扬。霰弹枪是在液体机器人T-1000上射击的,身体被刺穿了好几次。洞中的液体机器人可以恢复“血液复活”的原始形态。

那么,这样一个变形的机器人真的会出现在人的生命中吗?

由中国科学院物理与化学研究所和刘静教授领导的清华大学联合小组领导的一系列液态金属变形机的突破性发现可能证明,有一天,变形机器人不仅仅是几米高,可以分解,相互结合,真的可以出来。

世界上第一台自驱动可变形液态金属机器首次开发后,刘静团队于今年9月在多个国际知名学术期刊上发表了6篇相关论文。这项研究正在稳步推进。

从首次发现自驱动液态金属机器到重新发现一系列独特的液态金属基本效应,科学现象和可变形机器运动模式,刘静团队正在进一步发展新兴液态金属柔性理论与发展智能机器。技术基础。

液态金属研究中的“潜水器”

所谓的液态金属可以是水或固体之类的液体;它可以是导体或其他属性的材料。例如,刘静团队的工作表明,液态金属可以注入人体,固化成骨骼。理想情况下,即使人体中极其脆弱的神经被打破,未来的科学家也可以使用液态金属连接断裂的神经。可以说液态金属具有许多前瞻性和前沿性的应用。

“科学研究存在不确定性,但这是不可避免的。如果它持续存在,它将在正确的时间实现跨越式发展。科学有利于准备好的思想说出来。”多年来谈论液态金属领域的实验室。该系列发现刘静并非没有感情。

早在1999年,30岁的刘静就被中国科学院物理与化学研究所引入“百人计划”。从那时起,他开始从事相关领域的研究。

“任何科学研究成果的获得都不会在一夜之间完成,但都包含某些逻辑规律,特别是基础研究。”刘静坦言,早在本世纪初,他们就一直专注于液态金属的勘探。虽然在很长一段时间内,这个领域几乎完全不受世界欢迎,“液态金属已被世界严重忽视”,但刘静始终认为液态金属具有广阔的应用前景,而且还富有科学性。最后,科学之神慷慨地给了回报,给刘静和他的团队带来了惊喜。 2013年秋天,他们首次发现了世界上第一台电子控制可变形液态金属机器。

在一次偶然的实验中,刘静团队发现浸入水中的镓基液态金属物体在极低电压下会在周围流体中表现出大规模的变形,旋转,定向运动甚至涡旋形成。更独特的是,大的金属液膜可以在几秒钟内收缩成单个金属液体球,变形过程非常快,表面积变化一千倍。另外,在外部电场的作用下,彼此分离的大量金属液体球可以彼此合并,直到它们熔合成单个液态金属球。

去年,刘静的研究成果发表在国外权威期刊上,引起了广泛的关注。今年3月,刘静再次展示了中国科学家的原始实力。他和他的团队发表了一篇论文《仿生型自驱动液态金属软体动物》。随后,该论文被数十家国际科学期刊或专业网站迅速报道,引起了不少热烈讨论和回应。

这种机器可以在不依赖外部电场的情况下实现自由运动。可以说它已经取得了比以往成就大跃进。

事实证明,通过食用铝,这种液态金属球可以实现自由运动。通过一系列后续实验,刘静的研究小组发现,一小块铝可以驱动一个直径约为5毫米的液态金属球,以每秒5厘米的速度连续运动一个多小时。这种灵活的机器可以在自由空间以及各种结构通道中移动。

研究人员认为,这种液态金属机器的习惯与自然界中的一些简单的软生物(如草履虫)非常接近,因为它可以“吃掉”燃料,它几乎不会被自身消耗,它可以自动移动,它可以是变形,它有一定的化学反应,因此得名“液态金属软体动物”。

这种液态金属机器完全没有复杂的外部电源系统,这是独立和独立的灵活智能机器发展的关键一步。

最近,根据之前的主要调查结果,刘静团队再次取得了一系列突破。

逐渐揭示原则

“光自驱动和液态金属的相关现象是不够的。为了实现应用,必须进一步研究,例如,如何控制液态金属机器的行为。”刘静说,在前一阶段的基础上,实验室继续对液体金属机器进行了全方位的实验,首次定义并确认了新机型过渡状态机。

“我们已经知道,液态金属球可以吃铝,所以如果将它们收集并注入溶液会发生什么?”结果令人惊讶,并且很快就会出现大量的液态金属电机组,如孙悟空,中国古典小说《西游记》,将头发拉成一大群猴子。而且,它的形状速度变化很快。

研究人员将液态金属马达放入解决方案中,发现这些液滴机具有丰富的物理特性和有趣的行为,如碰撞,吸引,融合,反弹和对齐,并且可以在形状,大小和机器之间进行转换。不同速度的架构。

“在解决方案中,大型和小型液体马达可以形成各种排列,分裂或协调,最后可以归类为一个整体。”而且这个状态不固定,机器可以随时更换,刘静将它命名为过渡状态机。

此前,刘静团队设计了一种不需要外接电源的液态金属泵。通过将其限制在阀座上,可以实现自转和泵送流体的目的。据此,可以快速制造大量微型泵以满足液体药物等要求。阵列微流体,芯片散热器中的流体输送等。过渡机器的发现为自组装和分体式软件机器以及可注射微型医疗设备和药物载体的开发提供了重要的见解。 “液态金属电机运行速度非常快,比过去研究的微纳电机更方便。”

刘静的另一项研究成果与布朗运动有关。

1827年,苏格兰植物学家罗伯特布朗发现水中的花粉和其他悬浮的微小颗粒一直以不规则的曲线运动,称为布朗运动。人们长期以来一直没有意识到这些原则。五十年后,J。Dessert认为这些微小颗粒是由周围分子的不平衡碰撞引起的。后来我得到了爱因斯坦研究的证据。因此,布朗运动成为分子运动理论和统计力学发展的基础。

例如,观察在显微镜下悬浮在水中的藤黄粉,花粉颗粒,或在没有风的情况下观察空气中的烟雾和灰尘。温度越高,运动越强烈。

“应该说布朗运动通常指的是需要用显微镜观察的微观世界现象。那么,宏观世界中还有更多的模型吗?“刘静的团队发现毫米甚至更大的液态金属马达也有类似布朗运动的现象。与传统认识不同,液态金属电机的驱动力来自内部(铝和水反应生成氢),它是随机的,因此它也表现出不规则的曲线运动。刘静称之为自驱动的宏观布朗运动。

“值得注意的是,由液态金属和铝组成的液相合金具有高的制氢效率和低成本,并且整个过程在常温下易于实现,这实际上提供了一种相对简单快速的获得清洁能源的方法。实用价值非常高,这方面正在催生一个新的氢生产研究方向。“刘静说。

控制然后使用它

以前的研究揭示了液态金属的许多特征。那么,我们能通过某种方式控制其行为吗?

刘静团队发现,在特殊条件下,液态金属可以“控制”。

金属液滴马达一目了然,但实际上它含有丰富的电化学原理,其表面带电。因此,磁场可能对液态金属电动机产生影响。正是从这个概念出发,刘静团队首先用液态金属马达将永久磁铁放在容器底部,发现了一种有趣的“磁阱效应”。对于直径为1 mm或更小的液滴电机组,具有一定的强度磁场足以将其从不可见的边界反弹回来。由于洛伦兹力,通过摄取铝形成的液滴的表面电荷越多,磁阱效应越强。

应该指出的是,如果液态金属马达太大,它将忽略这种影响并继续前进。这一发现指出了控制液态金属马达性能的重要方法。

在本质上,实现灵活,灵活的机器,可以在不同形式之间自由转换,是科学和工程界的长期梦想。在生物医学,科学探索乃至国防安全方面,液态金属机械具有重要的理论意义和应用前景。

刘静指出,传统上,由刚性材料制成的运动机器,即使是自然界中的生物,通常也不具备自动融合或分离的能力。液态金属柔性机器可以自动组装并随意变形,为此开辟了新的突破。这将为智能材料,柔性血管机器人和流体力学(包括软物质研究)的未来设计带来重要启发。相应的调查结果显着扩大了人们。对复杂流体和液态金属材料的传统理解也为金属液滴(电机)的生成,操作,3D打印甚至流体表征提供了基本工具。

“未来的机器人必须具有高度的灵活性,智能性和灵活性。”刘静认为,液态金属机械领域前景广阔,有望推动新型机器人的发展。他将实验室任务设置为SMILE(用于软机)。基于智能,液态金属和电子产品的首字母缩写,旨在将智能,液态金属和电子产品结合起来,构建未来的灵活机器。但他也表示,目前对相应机器的研究还处于起步阶段。

“像人类一样,必须有细胞和组织来形成皮肤,血液,骨骼,神经等,构建液态金属机器的每一步都需要大量的积累。当然,我们必须推动基础研究。与此同时,我们将探索各种应用,并通过相互作用促进液态金属研究。“刘静终于说道。