首個自驅動可變形液态金屬機器 2015-03-26

世界首個自驅動可變形液态金屬機器問世，意味着中(zhōng)國在液态金屬領域達到世界領先水平。

3月26日，在不到10平方米的辦公室内，電(diàn)話(huà)鈴聲此起彼伏。看到記者走進來，劉靜臉上有略帶歉意的笑容，“對不起，這兩天事情特别多”。是的，因爲制作出世界首個自主運動的可變形液态金屬機器，劉靜“火(huǒ)”了。

不久前，由劉靜帶領的中(zhōng)科院理化技術研究所、清華大(dà)學醫學院聯合研究小(xiǎo)組在《先進材料》上發表了題爲《仿生(shēng)型自驅動液态金屬軟體(tǐ)動物(wù)》的論文。随後，論文迅速被數十個科學雜(zá)志(zhì)或專業網站報道，引起不小(xiǎo)的國際反響。

依靠吞食小(xiǎo)小(xiǎo)的鋁片，一(yī)台液态金屬機器可以自主運動達1個小(xiǎo)時左右。它還會拐彎，可變形，俨然有生(shēng)命一(yī)般。這一(yī)成果不禁讓人想起好萊塢電(diàn)影《終結者》中(zhōng)的T-1000，因此，也被外(wài)媒形容爲制造出“終結者”。

這一(yī)成果的取得，意味着中(zhōng)國在液态金屬領域達到世界領先水平。但是，研究過程也絕非一(yī)帆風順——資(zī)金匮乏仍堅持研究、自由探索下(xià)的偶然發現……令世人震驚的發現背後，有着太多意想不到的故事。

領先世界的重大(dà)發現

在學生(shēng)們看來，劉靜是一(yī)位不給學生(shēng)設置框架，鼓勵自由探索、自由試驗的老師。他總是鼓勵學生(shēng)，應該再大(dà)膽一(yī)點，再多試驗幾次。就是在這樣的氛圍中(zhōng)，促成了世界首台自主運動的可變形液态金屬機器的問世。一(yī)次試驗中(zhōng)，一(yī)名學生(shēng)在不經意間，将鋁片觸動了液态金屬球。這時，神奇的一(yī)幕發生(shēng)了：沒有通電(diàn)的金屬球将鋁片“咬”了進去(qù)，随後在電(diàn)解液中(zhōng)動了起來。

劉靜介紹，經過後續的大(dà)量試驗發現，一(yī)小(xiǎo)片鋁即可驅動直徑約5毫米的液态金屬球實現長達1個多小(xiǎo)時的持續運動，每秒速度高達5厘米。這種柔性機器既可在自由空間運動，又(yòu)能于各種結構槽道中(zhōng)蜿蜒前行。令人驚訝的是，它還可随沿程槽道的寬窄自行作出變形調整，遇到拐彎時則有所停頓，如同生(shēng)命體(tǐ)在思考一(yī)樣，随後繼續行進，甚至可以“擠”過狹小(xiǎo)的縫隙。

自驅動、柔性、可變形是液态金屬機器的三大(dà)特點。科研人員(yuán)認爲，這種液态金屬機器的習性已相當接近自然界一(yī)些簡單的軟體(tǐ)生(shēng)物(wù)，因爲它能“吃”食物(wù)（燃料），可以自主運動，還可以變形，具備一(yī)定代謝功能（化學反應），因此将其命名爲“液态金屬軟體(tǐ)動物(wù)”。

這種液态金屬機器完全擺脫了龐雜(zá)的外(wài)部電(diàn)力系統，從而向研制自主獨立的柔性機器邁出了關鍵的一(yī)步。正因此，這一(yī)發現獲得國際業界的高度評價。《自然》雜(zá)志(zhì)在其研究亮點欄目以《液态金屬馬達靠自身運動》爲題進行了報道；《科學》雜(zá)志(zhì)也在網站發布觀察文章和視頻(pín)：“可變形金屬馬達擁有一(yī)系列用途”。許多國際知(zhī)名雜(zá)志(zhì)和專業網站發表評論稱：“真實的終結者1000液态金屬馬達誕生(shēng)了，而且他們由中(zhōng)國制造。”

“在液态金屬研究方面，中(zhōng)國走在世界的前列。”劉靜不無自豪地說。

中(zhōng)科院院長白(bái)春禮在得知(zhī)劉靜團隊取得的成果消息後，就在第一(yī)時間到訪了理化技術研究所，并深入實驗室了解有關工(gōng)作，對劉靜團隊多年來堅持自主創新的精神和取得的成果給予高度肯定。

十餘年積澱的突破

盡管早在1999年，時年30歲的劉靜就被中(zhōng)科院理化所作爲“百人計劃”引進所裏，後來還擔任低溫生(shēng)物(wù)醫學工(gōng)程學北(běi)京市重點實驗室主任，可謂年輕有爲。但這一(yī)次，前來要求采訪或者交流的邀約的數量，顯然超過了他的想象。

“任何科研成果的取得，都不會是一(yī)蹴而就的，均有一(yī)定邏輯規律在内，基礎研究尤其是這樣。沒有長時間的積澱和坐冷闆凳，我(wǒ)們不可能有今天的成果。”劉靜坦言，早在本世紀初，他們就一(yī)直潛心于液态金屬的研究。盡管在很長的時間内，這一(yī)領域在國際上并非熱點，但實驗室始終選擇堅守。液态金屬芯片冷卻、印刷電(diàn)子、3D金屬打印、生(shēng)物(wù)材料等一(yī)系列首創性工(gōng)作得以啓動。

劉靜帶領的團隊，不斷探索着液态金屬的各種特性和用途。

終于，科學研究散發了它本來的魅力，給劉靜及其小(xiǎo)組帶來了意外(wài)之喜——2013年初，世界首台電(diàn)控的可變型液态金屬機器在實驗室誕生(shēng)。

在進行一(yī)次偶然的試驗時，劉靜團隊發現浸沒于水中(zhōng)的液态金屬對象，可以在幾個伏特的低電(diàn)壓作用下(xià)呈現出大(dà)尺度變形、自旋、定向運動。較爲獨特的是，一(yī)塊很大(dà)的金屬液膜可在數秒内即收縮爲單顆金屬液球，變形過程十分(fēn)快速，而表面積改變幅度可高達上千倍。此外(wài)，在外(wài)電(diàn)場作用下(xià)，大(dà)量彼此分(fēn)離(lí)的金屬液球可發生(shēng)相互合并，直至融合成單一(yī)的液态金屬球。

“科學探索就是這樣，你永遠不知(zhī)道下(xià)一(yī)步會發生(shēng)什麽。但是，在這之前，研究者需要足夠的積累和不斷等待。”劉靜說。

亟須國家重視與扶持

雖然實驗室成果受到國内外(wài)矚目，但劉靜依然不無憂心。

他一(yī)直對自己的研究方向很有信心。在自然界，實現能在不同形态之間自由轉換的可變形柔性機器，是科學界與工(gōng)程界長久以來的夢想。在生(shēng)物(wù)醫用、抗震救災等民用、醫療、科學探索乃至國防安全中(zhōng)，都極具重大(dà)理論意義和應用前景。

目前，劉靜小(xiǎo)組已經設計出無須外(wài)界電(diàn)力的液态金屬泵，通過将其限定于閥座内，可達到自行旋轉并泵送流體(tǐ)的目的，據此可快速制造出大(dà)量微泵，滿足諸如藥液、陣列式微流體(tǐ)芯片散熱器中(zhōng)流體(tǐ)的輸運等，成本極低。進一(yī)步的應用，可發展成血管或腔道機器人，甚至是可自我(wǒ)組裝的液态金屬智能機器。

真正令他擔心的，是人才儲備和基礎設施的不足以及國家尚對于液态金屬這一(yī)戰略新興領域重要意義的認識不夠。

“前些年國際上并不熱，我(wǒ)們在申請國家縱向課題時很困難。”劉靜坦言，這些年實驗室在液态金屬方面的研究經費(fèi)主要來自企業界，還有中(zhōng)科院和清華大(dà)學的少量資(zī)助，來自國家層面的經費(fèi)很少。

作爲一(yī)大(dà)類新興的功能材料，液态金屬爲若幹科學與技術探索提供了豐富的研究空間。但遺憾的是，到目前爲止，國人并未對液态金屬有太多的重視，“連一(yī)個稍顯規模的研發中(zhōng)心都沒有。”劉靜說。

相比之下(xià)，美國、澳大(dà)利亞和歐洲等地的知(zhī)名實驗室都獲得大(dà)量資(zī)助，不斷發布論文，也陸續有成果問世。劉靜認爲，液态金屬的全球研發正處于如火(huǒ)如荼的階段，若能充分(fēn)發揮其獨特價值和巨大(dà)潛力，并結合相關技術，将引發諸多超越傳統的機器變革。作爲一(yī)個前途無限的研究領域，國家有關部門亟須給予必要的支持。

那麽，電(diàn)影中(zhōng)的“終結者”何時能夠問世？

劉靜坦言，目前“液态金屬機器”和“終結者”仍存在很大(dà)距離(lí)。實驗室前期實現的這種自主運動型液态金屬機器隻有數厘米大(dà)小(xiǎo)，體(tǐ)積還遠沒有普通機器人那麽大(dà)，也沒有那麽智能。

劉靜指出，未來通過封裝的方式，給液态金屬機器穿上“铠甲”或“皮膚”，并賦予相應功能，或許“終結者”并非那麽遙不可及。

“最近，在液态金屬機器研究上，實驗室又(yòu)獲得新的發現和認識，将陸續有成果問世。未來，我(wǒ)們會在這條道路上不斷探索下(xià)去(qù)。”劉靜最後表示。

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