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澳门威斯尼斯人娱乐网:我国学者率先研发出液

发布时间:2019-09-24 14:45编辑:生命科学浏览(97)

    首个自驱动可变形液态金属机器:终结者来了么

    我率先研发出液态金属“软体动物”

    世界首个自驱动可变形液态金属机器问世,意味着中国在液态金属领域达到世界领先水平——

    离《终结者》机器人又近了一步

    来源:科技日报 2015-3-27 林莉君

      经典科幻电影《终结者》系列中出现的T-1000和T-X型号终结者,可根据环境随意变形,被子弹打穿后可自动修复。让人们领略到了液态金属机器人的魅力,虽然科幻与现实研究还存在一定的距离,但清华大学和中科院理化所联合研究组在世界上首次发现,镓基液态合金吞食少量“食物”后,可以在各种形态和运行模式之间转换,并实现自驱动快速前进。这一发现为可变形液态金属机器人的研制开辟了新通道。

      3月26日,在清华大学医学院生物医学工程系刘静实验室,研究小组成员张洁博士给记者展示了这一神奇的现象:电解液中,直径约5毫米的液态镓金属球,吞食了0.012克铝之后,能以每秒5厘米的速度前进。而在各种槽道中前行时,可以随槽道的宽窄自动变形调整,遇到拐弯时停顿下来,略作“思考”后,蜿蜒前行。整个过程宛如科幻影片中的机器人“终结者”。

      能“吃食物”,能自主运动,能变形,这些接近自然界简单软体动物的习性,让刘静他们把这一研究成果亲切地称之为“液态金属软体动物”。它的动力从哪儿来呢?刘静教授告诉记者:“液态镓合金和活泼的铝发生化学反应后,形成内生电场,引起液态金属表面张力不平衡,从而对易于变形的液态金属产生强大推力;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。这种双重作用产生了超常的液态金属马达行为。自主运动可以长达1个多小时。”

      实现能在不同形态之间自由转换的液态金属机器人,以执行高难度的特殊任务,是科学界与工程界长久以来的梦想,相关研究在军事、民用、医疗与科学探索中具有重大理论意义和应用前景。刘静他们的这一成果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。目前,实验室根据这一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,而且可在不同电解液环境如碱性、酸性乃至中性溶液中运动。

      由于这一发现的科学突破性和实际应用价值,研究小组今年3月将部分工作以“仿生型自驱动液态金属软体动物”为题在线发表在《先进材料》上。引起世界范围内众多科学杂志、专业网站的高度重视。《自然》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;《科学》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。

      “下一步,我们希望能赋予这种液态金属特定功能,比如药物递送、柔性机器人、血管机器人等。”刘静在展望了这一技术应用前景时表示。

    ■本报记者 彭科峰

    3月26日,在不到10平方米的办公室内,电话铃声此起彼伏。看到记者走进来,刘静脸上有略带歉意的笑容,“对不起,这两天事情特别多”。

    是的,因为制作出世界首个自主运动的可变形液态金属机器,刘静“火”了。

    不久前,由刘静带领的中科院理化技术研究所、清华大学医学院联合研究小组在《先进材料》上发表了题为《仿生型自驱动液态金属软体动物》的论文。随后,论文迅速被数十个科学杂志或专业网站报道,引起不小的国际反响。

    依靠吞食小小的铝片,一台液态金属机器可以自主运动达1个小时左右。它还会拐弯,可变形,俨然有生命一般。

    这一成果不禁让人想起好莱坞电影《终结者》中的T-1000,因此,也被外媒形容为制造出“终结者”。

    这一成果的取得,意味着中国在液态金属领域达到世界领先水平。但是,研究过程也绝非一帆风顺——资金匮乏仍坚持研究、自由探索下的偶然发现……令世人震惊的发现背后,有着太多意想不到的故事。

    领先世界的重大发现

    在学生们看来,刘静是一位不给学生设置框架,鼓励自由探索、自由试验的老师。他总是鼓励学生,应该再大胆一点,再多试验几次。

    就是在这样的氛围中,促成了世界首台自主运动的可变形液态金属机器的问世。一次试验中,一名学生在不经意间,将铝片触动了液态金属球。这时,神奇的一幕发生了:没有通电的金属球将铝片“咬”了进去,随后在电解液中动了起来。

    刘静介绍,经过后续的大量试验发现,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,每秒速度高达5厘米。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,遇到拐弯时则有所停顿,如同生命体在思考一样,随后继续行进,甚至可以“挤”过狭小的缝隙。

    自驱动、柔性、可变形是液态金属机器的三大特点。科研人员认为,这种液态金属机器的习性已相当接近自然界一些简单的软体生物,因为它能“吃”食物,可以自主运动,还可以变形,具备一定代谢功能,因此将其命名为“液态金属软体动物”。

    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。

    也正因此,这一发现获得国际业界的高度评价。《自然》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;《科学》杂志也在网站发布观察文章和视频:“可变形金属马达拥有一系列用途”。许多国际知名杂志和专业网站发表评论称:“真实的终结者1000液态金属马达诞生了,而且他们由中国制造。”

    “在液态金属研究方面,中国走在世界的前列。”刘静不无自豪地说。

    中科院院长白春礼在得知刘静团队取得的成果消息后,就在第一时间到访了理化技术研究所,并深入实验室了解有关工作,对刘静团队多年来坚持自主创新的精神和取得的成果给予高度肯定。

    十余年积淀的突破

    尽管早在1999年,时年30岁的刘静就被中科院理化所作为“百人计划”引进所里,后来还担任低温生物医学工程学北京市重点实验室主任,可谓年轻有为。但这一次,前来要求采访或者交流的邀约的数量,显然超过了他的想象。

    “任何科研成果的取得,都不会是一蹴而就的,均有一定逻辑规律在内,基础研究尤其是这样。没有长时间的积淀和坐冷板凳,我们不可能有今天的成果。”刘静坦言,早在本世纪初,他们就一直潜心于液态金属的研究。尽管在很长的时间内,这一领域在国际上并非热点,但实验室始终选择坚守。液态金属芯片冷却、印刷电子、3D金属打印、生物材料等一系列首创性工作得以启动。

    刘静带领的团队,不断探索着液态金属的各种特性和用途。

    终于,科学研究散发了它本来的魅力,给刘静及其小组带来了意外之喜——2013年初,世界首台电控的可变型液态金属机器在实验室诞生。

    在进行一次偶然的试验时,刘静团队发现浸没于水中的液态金属对象,可以在几个伏特的低电压作用下呈现出大尺度变形、自旋、定向运动。较为独特的是,一块很大的金属液膜可在数秒内即收缩为单颗金属液球,变形过程十分快速,而表面积改变幅度可高达上千倍。此外,在外电场作用下,大量彼此分离的金属液球可发生相互合并,直至融合成单一的液态金属球。

    “科学探索就是这样,你永远不知道下一步会发生什么。但是,在这之前,研究者需要足够的积累和不断等待。”刘静说。

    亟须国家重视与扶持

    虽然实验室成果受到国内外瞩目,但刘静依然不无忧心。

    他一直对自己的研究方向很有信心。在自然界,实现能在不同形态之间自由转换的可变形柔性机器,是科学界与工程界长久以来的梦想。在生物医用、抗震救灾等民用、医疗、科学探索乃至国防安全中,都极具重大理论意义和应用前景。

    目前,刘静小组已经设计出无须外界电力的液态金属泵,通过将其限定于阀座内,可达到自行旋转并泵送流体的目的,据此可快速制造出大量微泵,满足诸如药液、阵列式微流体芯片散热器中流体的输运等,成本极低。进一步的应用,可发展成血管或腔道机器人,甚至是可自我组装的液态金属智能机器。

    真正令他担心的,是人才储备和基础设施的不足以及国家尚对于液态金属这一战略新兴领域重要意义的认识不够。

    “前些年国际上并不热,我们在申请国家纵向课题时很困难。”刘静坦言,这些年实验室在液态金属方面的研究经费主要来自企业界,还有中科院和清华大学的少量资助,来自国家层面的经费很少。

    作为一大类新兴的功能材料,液态金属为若干科学与技术探索提供了丰富的研究空间。但遗憾的是,到目前为止,国人并未对液态金属有太多的重视,“连一个稍显规模的研发中心都没有。”刘静说。

    相比之下,美国、澳大利亚和欧洲等地的知名实验室都获得大量资助,不断发布论文,也陆续有成果问世。刘静认为,液态金属的全球研发正处于如火如荼的阶段,若能充分发挥其独特价值和巨大潜力,并结合相关技术,将引发诸多超越传统的机器变革。作为一个前途无限的研究领域,国家有关部门亟须给予必要的支持。

    那么,电影中的“终结者”何时能够问世?

    刘静坦言,目前“液态金属机器”和“终结者”仍存在很大距离。实验室前期实现的这种自主运动型液态金属机器只有数厘米大小,体积还远没有普通机器人那么大,也没有那么智能。

    刘静指出,未来通过封装的方式,给液态金属机器穿上“铠甲”或“皮肤”,并赋予相应功能,或许“终结者”并非那么遥不可及。

    “最近,在液态金属机器研究上,实验室又获得新的发现和认识,将陆续有成果问世。未来,我们会在这条道路上不断探索下去。”刘静最后表示。

    《中国科学报》 (2015-03-30 第1版 要闻) 更多阅读 中国研发出世界首个自主运动可变形液态金属机器

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