難被“終結(jié)”的液態(tài)金屬機(jī)器人

大多數(shù)科幻電影愛好者肯定不會(huì)錯(cuò)過上世紀(jì)80年代的科幻大片《終結(jié)者》系列，它是近幾十年來最優(yōu)秀的科幻大片之一。這個(gè)使人神經(jīng)繃緊、動(dòng)作巧妙的科幻片第一次讓奧地利健美運(yùn)動(dòng)員阿諾·施瓦辛格博得了世人的關(guān)注。他飾演的反派機(jī)器人T-1000給我們留下深刻印象。它由特殊液態(tài)金屬組成，時(shí)而堅(jiān)不可摧，時(shí)而柔軟似水，能夠隨意變換各種形態(tài)穿梭于各種夾縫中。T系列液態(tài)金屬機(jī)器人開啟了液態(tài)金屬在機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用的夢(mèng)想之門。

近期，國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《先進(jìn)材料》刊發(fā)的一篇文章再度點(diǎn)燃人們對(duì)液態(tài)金屬機(jī)器人的憧憬與熱情。文章介紹了由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)張世武副教授所在的研究團(tuán)隊(duì)、澳大利亞伍倫貢大學(xué)李衛(wèi)華教授所在的研究團(tuán)隊(duì)和蘇州大學(xué)李相鵬副教授所在的研究團(tuán)隊(duì)組成的聯(lián)合研究組，設(shè)計(jì)了基于鎵基室溫液態(tài)金屬的新型機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器，并首次實(shí)現(xiàn)了液態(tài)金屬驅(qū)動(dòng)的功能性輪式移動(dòng)機(jī)器人的科研成果。該聯(lián)合研究組所采用的鎵基室溫液態(tài)金屬具獨(dú)特的表面性質(zhì)及理化特性，可以通過電場(chǎng)、磁場(chǎng)以及濃度梯度場(chǎng)等多種能量場(chǎng)或者表面改性等方式，實(shí)現(xiàn)變形、移動(dòng)、分離以及融合等多種形態(tài)學(xué)變化，在MEMS、微流體、生物醫(yī)學(xué)以及機(jī)器人等領(lǐng)域展示出巨大的應(yīng)用前景，引起國(guó)際上的廣泛關(guān)注。

鎵基室溫液態(tài)金屬具有巨大的表面張力，在極低的電場(chǎng)功耗下展示出高效的運(yùn)動(dòng)能力。聯(lián)合研究組巧妙地將高效液態(tài)金屬驅(qū)動(dòng)和變重心機(jī)構(gòu)相結(jié)合，開發(fā)出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、驅(qū)動(dòng)性能好的新型液態(tài)金屬機(jī)器人。研究人員設(shè)計(jì)了一種具有超疏水表面的極輕半封閉輪式結(jié)構(gòu)，將液態(tài)金屬液滴限制在狹長(zhǎng)的輪體內(nèi)部；通過巧妙設(shè)計(jì)的隨動(dòng)微型電極支架施加外部電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)輪體內(nèi)液態(tài)金屬運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而持續(xù)改變輪式機(jī)器人的重心，驅(qū)動(dòng)輪式機(jī)器人滾動(dòng)。

同時(shí)，研究人員對(duì)所提出的新型液態(tài)金屬機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模與分析，并通過實(shí)驗(yàn)探索了電解液濃度、施加電壓、液態(tài)金屬體積、輪體結(jié)構(gòu)等參數(shù)對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能的影響，獲得驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的最佳參數(shù)匹配。進(jìn)一步，通過集成電池系統(tǒng)，研究人員成功設(shè)計(jì)了新型液態(tài)金屬自驅(qū)動(dòng)輪式移動(dòng)機(jī)器人。

該研究有望啟發(fā)一種新型驅(qū)動(dòng)方式，彌補(bǔ)傳統(tǒng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式（電機(jī)、液壓及氣動(dòng)等）結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大以及驅(qū)動(dòng)能效低等不足，促進(jìn)未來微小機(jī)器人及特種機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展。在不久的將來，液態(tài)金屬機(jī)器人將在癌癥靶向治療及智能柔性可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域大展身手。

這是否意味著熒屏上的T系列液態(tài)金屬機(jī)器人正一步步“走”向現(xiàn)實(shí)？要想把T系列液態(tài)金屬機(jī)器人變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，我們還有很長(zhǎng)的路要走，因?yàn)槠渲猩婕安牧蠈W(xué)、生物學(xué)、機(jī)器人、流體力學(xué)、電子、傳感器以及計(jì)算機(jī)等多學(xué)科，而其關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一是要有過硬的液態(tài)金屬。提起液態(tài)金屬，也許你首先會(huì)想起金屬汞。T系列機(jī)器人之所以那么霸道、厲害，很大部分也得益于它的液態(tài)金屬軀體。我們先來大概了解一下液態(tài)金屬。

目前我們所說的液態(tài)金屬一共有三種含義。第一種指的是在常溫下呈液態(tài)的金屬，如常見的金屬汞等。這里的液態(tài)金屬中的液態(tài)是指液體形狀；第二種就是我們常說的非晶合金。非晶合金之所以也叫液態(tài)金屬，是因?yàn)檫@種合金是固體形狀，本應(yīng)該是晶態(tài)，卻保留了液體形態(tài)下的非晶態(tài)；第三種就是《終結(jié)者》中出現(xiàn)的T系列機(jī)器人所用的液態(tài)金屬，它是由一種名為Mimeticpolyalloy（擬態(tài)合金）的液態(tài)金屬打造?，F(xiàn)實(shí)中的前兩種液態(tài)金屬與電影中的第三種液態(tài)金屬還有很大的差距，具體表現(xiàn)在以下幾方面：

首先，使用狀態(tài)。第一種液態(tài)金屬如金屬汞在常溫狀態(tài)下就是液體。第二種非晶合金如非晶戒指、非晶高爾夫球棒、網(wǎng)球拍以及非晶U盤等都是固體。而電影里T系列機(jī)器人的液態(tài)金屬則具有液體般流動(dòng)性，并可在液態(tài)和固態(tài)之間隨意轉(zhuǎn)化。

其次，性能差異。電影里展示的液態(tài)金屬不僅具有液態(tài)的靈動(dòng)性，還具有金屬的高強(qiáng)度。如形狀記憶合金一般，受傷變形后還能恢復(fù)到原狀。韌性好到可以任性地穿過鐵柵欄門。無需防彈鎧甲，瀟灑地穿過槍林彈雨，打爆頭也不怕，傷口自愈合！可以冰里逃生，也可以浴火重生。T-1000的液態(tài)金屬是由納米技術(shù)打造，可以掃描接觸物體的分子結(jié)構(gòu)，并在視覺上模擬。因此不僅可在液固之間任意轉(zhuǎn)換，它還可變成它接觸過的任何東西。目前的非晶合金具有高彈性、高強(qiáng)度、高硬度、耐腐蝕性等特性，但是韌性還是比不上一般的金屬，并且沒有感應(yīng)能力、形變記憶能力等。

再者，人工智能。非晶合金是沒有自主意識(shí)的。而在電影中，每一滴Mimeticpolyalloy都擁有自我學(xué)習(xí)、協(xié)調(diào)能力以及自我思考能力，并可以在分散后找到彼此。因此，T-1000才擁有了全身可以隨意變形，能夠模擬任何體積相當(dāng)?shù)奈矬w。繼全液態(tài)金屬的T-1000之后，更高級(jí)的機(jī)器人如T-X，里邊是超合金骨架，外表仍要披一層液態(tài)金屬，為的是擁有模仿人類相貌的能力。而沒有這些神通的非晶合金，用途也不少，體育器材、手機(jī)殼、航天器軸承、穿甲彈、變壓器等器件中都可以找到它的身影。

早在2013年，中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所劉靜研究員和她的科研團(tuán)隊(duì)就研制了一種液態(tài)金屬材料，這種液態(tài)金屬可以吞噬掉另一種金屬，并且將其轉(zhuǎn)化為自身運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力，就能長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)動(dòng)！并且，包裹液態(tài)金屬的金屬膜可實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬的收縮和膨脹，即這種金屬膜包裹下的液態(tài)金屬可以收縮成很小的一團(tuán)，需要變成機(jī)器使用的時(shí)候，液態(tài)金屬可以達(dá)到收縮狀態(tài)下表面積的幾千倍以上。一小團(tuán)液態(tài)金屬形狀改變后能成為一艘小船，或者一輛汽車、一棟小房子等！而你不想用的時(shí)候，通過金屬膜把液態(tài)金屬收回來就行。未來可以用這種液態(tài)金屬打造宇宙飛船，就可以完全模仿飛碟形狀，自由飛行在空中，降落后收在口袋里就可以！在星際航行的時(shí)候，沒有能量了，給液態(tài)金屬飛船找隕石上面含有的金屬物質(zhì)做能量，然后就能繼續(xù)飛行。

英國(guó)薩塞克斯大學(xué)和史云斯大學(xué)的科學(xué)家近期也研究出一種新型的液態(tài)金屬，并且可以被控制形狀。這種液態(tài)金屬能通過編程改變形狀，通過電場(chǎng)進(jìn)行控制，能讓金屬?gòu)暮?jiǎn)單的形狀轉(zhuǎn)變成許多其他復(fù)雜的幾何形狀，像字母或心形。雖然這項(xiàng)研究還處于初期階段，但展示出了它在計(jì)算機(jī)圖形處理、智能電子設(shè)備、軟體機(jī)器人和柔性顯示器等方面的應(yīng)用潛力。

實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人Sriram Subramanian說：“液態(tài)金屬在可變形領(lǐng)域中的潛力非常大，它獨(dú)特的性質(zhì)包括可由電壓控制的表面張力、高液態(tài)導(dǎo)電性和室溫下的液態(tài)-固態(tài)相變。我們和其他研究人員的長(zhǎng)期愿景之一，就是通過編程控制來改變?nèi)魏挝矬w的物理形狀、外觀和功能，創(chuàng)造出超過現(xiàn)有顯示器或機(jī)器人功能的東西?！?/p>

澳大利亞墨爾本市RMIT大學(xué)的研究人員利用鎵合金提煉出神奇的液滴，為T系列液態(tài)機(jī)器人的誕生鋪平道路。這種導(dǎo)電材料可自我組裝，能被用于制造3D顯示器和其他復(fù)雜的機(jī)器元件。

金屬鎵在室溫條件下就會(huì)呈現(xiàn)液態(tài)，將其與銦和錫等金屬添加到水中，并改變pH值，這種金屬液滴就可以自由移動(dòng)。RMIT大學(xué)的研究人員正嘗試使用這種導(dǎo)電的液態(tài)金屬制造電子元件，它們可以自己移動(dòng)，就像T-1000式液態(tài)“終結(jié)者”那樣變形，并進(jìn)行自我組裝。與電子設(shè)備中的現(xiàn)代元件不同，它們依然是基于固態(tài)元件的電路，而將來的電子元件可能更柔韌靈活，能夠根據(jù)需要移動(dòng)和重新配置。項(xiàng)目領(lǐng)導(dǎo)人扎德赫表示：“利用這些發(fā)現(xiàn)，我們可以制造自主操作的移動(dòng)物體、開關(guān)或水泵，由周圍流體組合驅(qū)動(dòng)自我組裝的液態(tài)金屬?！痹潞毡硎?，最終，利用這些發(fā)現(xiàn)原理，研究人員將可按照需要制造3D液態(tài)金屬機(jī)器人，就像T-1000式液態(tài)“終結(jié)者”。

《終結(jié)者》里面的液體機(jī)器人身體是由可還原記憶的液態(tài)金屬構(gòu)成，它的每一滴液態(tài)金屬都是它的CPU，這些CPU既擁有獨(dú)立的思維，可以分散工作，也有能自我組合、相互協(xié)作的能力。如果能把計(jì)算機(jī)體積做到分子級(jí)的大?。ㄍ瑫r(shí)要能承受很大的力不損壞），同時(shí)能產(chǎn)生磁力之類的連接力（連接的力要可控，而且要足夠強(qiáng)，使分子級(jí)計(jì)算機(jī)合成固體后有足夠的硬度），讓這些分子級(jí)大小的計(jì)算機(jī)形成一個(gè)整體，這樣硬件方面就可以了。之后再利用強(qiáng)人工智能技術(shù)和分布式運(yùn)算技術(shù)進(jìn)行編程，現(xiàn)實(shí)版液態(tài)金屬機(jī)器人就可以行動(dòng)了。目前的軟件問題還可能解決，畢竟已經(jīng)有弱人工智能的程序（比如siri）和分布式運(yùn)算的程序（比如hadoop）了，距離達(dá)到要求不算遠(yuǎn)。但是硬件上就成問題了，目前沒有能滿足這些要求的材料。加工技術(shù)也達(dá)不到要求，目前的納米加工技術(shù)（聚焦離子束技術(shù)之類的）可以做到原子級(jí)的操作（不過要是原子級(jí)的精密加工就成問題了）。目前未來的處理器制造技術(shù)可以達(dá)到5納米，而原子級(jí)的精度在0.1納米左右。

液態(tài)金屬機(jī)器人的出現(xiàn)也讓機(jī)器人科研某些方面取得重大突破，并且液態(tài)機(jī)器人的應(yīng)用潛力比傳統(tǒng)機(jī)器人更好一些，畢竟傳統(tǒng)機(jī)器人因?yàn)椴馁|(zhì)問題導(dǎo)致其無法做到太小，而液態(tài)機(jī)器人則不同了，最小能夠達(dá)到幾十微米的程度，并且以后可能會(huì)變得更小。對(duì)于這種液態(tài)金屬機(jī)器人，可能有些人擔(dān)心出現(xiàn)電影《終結(jié)者》里面的情景，其實(shí)這點(diǎn)也是無需過于擔(dān)心的，我們?cè)谘邪l(fā)機(jī)器人的同時(shí)，也在不斷加強(qiáng)對(duì)機(jī)器人的控制，在保證人類安全的前提之下進(jìn)行研究，避免出現(xiàn)某些影視中的情景。