中科院理化所用液態(tài)金屬和3D打印制造出微型車輛

近期，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所聯(lián)合清華大學(xué)研究組，研發(fā)出鍍有磁性功能層的自驅(qū)動(dòng)液態(tài)金屬機(jī)器乃至以液態(tài)金屬為車輪的微型車輛。除此之外，該研究團(tuán)隊(duì)還首次報(bào)道了由液態(tài)金屬驅(qū)動(dòng)的金屬絲振蕩效應(yīng)、金屬顆粒觸發(fā)型液態(tài)金屬跳躍現(xiàn)象等。此前，液態(tài)金屬機(jī)器均以純液態(tài)方式出現(xiàn)，固液組合機(jī)器效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和技術(shù)突破，使得液態(tài)金屬機(jī)器自此有了功能性內(nèi)外骨骼，將提速柔性機(jī)器的研制進(jìn)程。

在《材料化學(xué)學(xué)報(bào)B》（Journal of Materials Chemistry B）上的論文Self-Propelled Liquid Metal Motors Steered by Magnetic or Electrical Field for Drug Delivery（4, 5349, 2016, 封面文章）中，研究小組通過電鍍方法在液態(tài)金屬表面鑲嵌鐵磁性鎳層，由此實(shí)現(xiàn)了機(jī)器在外部磁場或電場作用下的靈活控制（如圖1所示），并驗(yàn)證了其在藥物遞送方面的潛在價(jià)值。超越于無規(guī)則運(yùn)動(dòng)型液態(tài)金屬機(jī)器的是，該磁性固液組合機(jī)器可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)起停、轉(zhuǎn)向和加速等復(fù)雜行為。

圖1▲期刊封面故事及鍍有鎳殼的固液組合式磁性液態(tài)金屬機(jī)器的可控與自主運(yùn)動(dòng)

     進(jìn)一步地，研究小組還發(fā)展出一種以柔性可變形“車輪”驅(qū)動(dòng)的微型車輛，其由金屬液滴及經(jīng)3D打印的塑料本體組合而成。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(dòng)車輛行進(jìn)、加速乃至實(shí)現(xiàn)更多復(fù)雜運(yùn)動(dòng)（圖2）。采用類似于四驅(qū)車的結(jié)構(gòu)，研究小組證實(shí)其可在攜帶重物0.4 g的情況下以25 mm/s速度運(yùn)動(dòng)。這種固液組裝型柔性機(jī)器的設(shè)計(jì)概念可衍生出更多復(fù)雜的可控機(jī)器結(jié)構(gòu)。相應(yīng)研究發(fā)表在RSC Advances（Liquid Metal Wheeled Small Vehicle for Cargo Delivery, 6, 56482-56488, 2016）上。

圖2▲柔性可變形液態(tài)金屬車輪驅(qū)動(dòng)的單輪車及四驅(qū)車在電場控制下的運(yùn)動(dòng)行為

  在發(fā)表于《先進(jìn)科學(xué)》（Advanced Science）上的題為Liquid Metal Machine Triggered Violin-like Wire Oscillator（10.1002/advs.201600212，2016；封面文章）的論文中，研究小組報(bào)道了一種異常獨(dú)特的液態(tài)金屬固液組合機(jī)器的自激振蕩效應(yīng)：將處理過的銅絲觸及含鋁的液態(tài)金屬時(shí)，銅絲會(huì)被液態(tài)金屬迅速吞入，并隨后在液態(tài)金屬機(jī)體上做長時(shí)間往復(fù)穿梭運(yùn)動(dòng)，如同演奏音樂中的小提琴琴弦一般（圖3）。此外，用不銹鋼絲觸碰液態(tài)金屬，還可對銅絲的振蕩行為加以調(diào)頻調(diào)幅操控。造成上述現(xiàn)象的機(jī)制主要在于，鋁與堿溶液反應(yīng)引發(fā)液態(tài)金屬與銅絲兩端出現(xiàn)浸潤力差異所致，這里，銅絲、液態(tài)金屬、電解液及氫氣之間多相界面的動(dòng)態(tài)耦合產(chǎn)生了節(jié)律性牽引力。這一突破性發(fā)現(xiàn)革新了傳統(tǒng)的界面科學(xué)認(rèn)識(shí)，也為柔性智能機(jī)器的研制打開了新思路，還可發(fā)展出流體、電學(xué)、機(jī)械、光學(xué)等系統(tǒng)的控制開關(guān)。

圖3▲期刊封面故事及液態(tài)金屬機(jī)器驅(qū)動(dòng)的銅絲浸潤與自激振蕩現(xiàn)象

在發(fā)表于《應(yīng)用物理學(xué)快報(bào)》（Applied Physics Letters）上的題為Jumping Liquid Metal Droplet in Electrolyte Triggered by Solid Metal Particles（108, 223901, 2016）的論文中，作者們發(fā)現(xiàn)了一類有趣的液態(tài)金屬跳躍行為（圖4）：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(dòng)起來，并在容器底留下一串餅狀“腳印”。研究揭示，金屬顆粒與液態(tài)金屬表面發(fā)生點(diǎn)接觸時(shí)，交界面處電場強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，以至?xí)�在溶液�?nèi)電解產(chǎn)氫，氫氣泡在基底不斷吸附長大形成“氣體彈簧”，這就為液滴跳躍提供了推力。導(dǎo)致電場極化的因素之一是來自液態(tài)金屬與固體金屬顆粒之間的電勢差即原電池效應(yīng)（圖5）；另一原因則在于，固-液材料界面間微觀形貌差異會(huì)導(dǎo)致電荷累積，繼而引發(fā)尖端放電效應(yīng)。

圖4▲液態(tài)金屬液滴被鎳粉顆粒觸發(fā)后在NaOH溶液中產(chǎn)生的跳躍行為

圖5▲金屬液滴與固體金屬顆粒發(fā)生點(diǎn)接觸后界面電場出現(xiàn)極化的原理和現(xiàn)象

十多年來，由理化所研究員劉靜帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)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(jìn)制造、電子技術(shù)、生物醫(yī)療及柔性機(jī)器等領(lǐng)域取得全面突破。團(tuán)隊(duì)迄今已發(fā)現(xiàn)30類以上具有重要科學(xué)意義的液態(tài)金屬基礎(chǔ)現(xiàn)象或效應(yīng)，研發(fā)出數(shù)十種實(shí)用技術(shù)，在包括北京、云南、廣東等地在內(nèi)的全國范圍內(nèi)推動(dòng)產(chǎn)業(yè)化，先后促成了領(lǐng)先性液態(tài)金屬產(chǎn)品生產(chǎn)線、研發(fā)中心及科技館的建設(shè)落成，多種產(chǎn)品進(jìn)入市場，提出的創(chuàng)建液態(tài)金屬谷乃至發(fā)展液態(tài)金屬全新工業(yè)體系的構(gòu)想也正從理想變成現(xiàn)實(shí)，成果在海內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界產(chǎn)生重大影響，請關(guān)注南極熊3D打印網(wǎng)。

來源：中科院理化所