科幻照進(jìn)現(xiàn)實(shí)——“液態(tài)金屬人工肌肉”研制成功

楊勇

說起“液態(tài)金屬”，很多人首先想到的是電影《終結(jié)者2》中的大反派——液態(tài)金屬機(jī)器人T-1000。它的身體能像水一樣流動(dòng)，可以毫無阻礙地穿過柵欄;它還能將雙手變成利刃，能變成其他人的樣子，甚至能偽裝成地板;子彈在它身上打出一個(gè)大孔，一轉(zhuǎn)眼它就能自動(dòng)愈合。它的冷酷與強(qiáng)悍，讓主角吃了不少苦頭。

想象力是科技的起點(diǎn)，T-1000開啟了將液態(tài)金屬應(yīng)用在機(jī)器人領(lǐng)域的夢(mèng)想之門。如今，在現(xiàn)實(shí)世界中，這個(gè)幻想已經(jīng)得到了初步的實(shí)現(xiàn)。

可以流動(dòng)的金屬

在日常生活中，金屬一般都有固定的形狀和較高的強(qiáng)度，它怎么可能是液體呢？其實(shí)，在自然界中本來就存在液態(tài)的金屬，最常見的就是體溫計(jì)中的水銀。

水銀在常溫下就是液態(tài)，只有溫度低于-38.87攝氏度時(shí)它才會(huì)變成固體。但是，水銀有兩個(gè)特性，一是有毒，二是容易揮發(fā)，這大大限制了它的用途。好在科學(xué)家可以通過人工合成的方法，制造出無毒且不易揮發(fā)的液態(tài)金屬，比如鎵基合金。

鎵是一種灰藍(lán)色或銀白色的金屬，元素符號(hào)是Ga，原子量是69.723。鎵的熔點(diǎn)很低，它在29.76攝氏度時(shí)就會(huì)變?yōu)殂y白色的液體。液態(tài)的鎵很容易過冷，也就是當(dāng)它熔化以后，再冷卻至0攝氏度卻不會(huì)凝固，而是繼續(xù)保持液態(tài)。

近年來，鎵基液態(tài)金屬由于其獨(dú)特的表面性質(zhì)及理化特性而成為研究熱點(diǎn)。鎵基液態(tài)金屬兼具液體和固體的一些特性，包括高電導(dǎo)/熱導(dǎo)率，良好的柔性，毒性極低且不易揮發(fā)。此外，它還可以通過改變電場(chǎng)、磁場(chǎng)、濃度梯度場(chǎng)及表面改性等方式，實(shí)現(xiàn)變形、移動(dòng)、分離及融合等多種形態(tài)學(xué)變化。因此，它在微流體、生物醫(yī)學(xué)和機(jī)器人等領(lǐng)域都有很好的應(yīng)用前景。

用液態(tài)金屬制造人工肌肉

2021年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院張世武教授、金虎副研究員，聯(lián)合英國(guó)伯明翰大學(xué)唐詩楊博士、澳大利亞伍倫貢大學(xué)李衛(wèi)華教授、蘇州大學(xué)李相鵬教授，以及美國(guó)北卡羅來納州立大學(xué)Michael Dickey教授組成的研究組，提出了一種基于電化學(xué)方法改變液態(tài)金屬表面張力的液態(tài)金屬人工肌肉（LMAM），以模仿肌肉的收縮及舒張功能。

海洋鳥類漂泊信天翁可以連續(xù)飛行幾十天而不休息，飛行里程近15000千米;陸地上奔跑最快的動(dòng)物之一的獵豹，捕獵時(shí)最快速度能達(dá)到29米/秒（104.4千米/時(shí)），接近汽車在高速公路上飛速行駛的速度……自然界中動(dòng)物特異的運(yùn)動(dòng)能力很大程度上得益于它們卓越的肌肉性能。受肌肉出色性能的吸引，人們對(duì)研制能夠模仿肌肉運(yùn)動(dòng)如伸縮、旋轉(zhuǎn)、彎曲等的人工肌肉越來越感興趣。

用液態(tài)金屬制造的人工肌肉，能在不同酸堿度的溶液中工作，最大伸展速度達(dá)到15毫米/秒，最大應(yīng)變達(dá)到87%。另外，這種人工肌肉所需的驅(qū)動(dòng)電壓極小，舒張時(shí)驅(qū)動(dòng)電壓僅需0.5伏，收縮時(shí)僅需4伏。這項(xiàng)研究成果有望為柔性驅(qū)動(dòng)器在微機(jī)電系統(tǒng)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用提供全新思路。相關(guān)成果以“A Liquid Metal Artificial Muscle”（液態(tài)金屬人工肌肉）為題發(fā)表在《Advanced Materials》（《先進(jìn)材料》）雜志上。

液態(tài)金屬人工肌肉的工作原理

液態(tài)金屬人工肌肉究竟是如何工作的呢？

你一定見過在荷葉上滾來滾去的水珠吧，是表面張力讓水珠維持近球狀。鎵基液態(tài)金屬的表面極易被氧化，形成一層氧化膜。未被氧化時(shí)，鎵基液態(tài)金屬具有目前已知液體中最大的表面張力，大約是水的10倍。因此，一滴鎵基液態(tài)金屬無論是滴在桌面上，還是放在掌心里，都會(huì)像荷葉上的水珠一樣呈近球狀。而在氧化以后，鎵基液態(tài)金屬的表面張力可以突然降到接近0，這時(shí)鎵基液態(tài)金屬會(huì)變成扁平泥狀。

研究人員利用電化學(xué)方法，讓鎵基液態(tài)金屬在還原與氧化兩種狀態(tài)之間，快速、可逆地切換。鎵基液態(tài)金屬處于還原狀態(tài)時(shí)，表面張力大，形狀為近球狀;處于氧化狀態(tài)時(shí)，表面張力小，形狀為扁平泥狀。在它改變形態(tài)的過程中，會(huì)向外輸出力和位移，這就是液態(tài)金屬人工肌肉的工作原理。

如上圖所示，在4滴液態(tài)金屬液滴上下兩端布置電極，讓液態(tài)金屬在電極之間形成液橋。當(dāng)電極提供氧化電壓（+4伏）時(shí)，液滴從近球狀變成扁平泥狀，液橋高度降低，人工肌肉“收縮”;當(dāng)電極提供還原電壓（-0.5伏）時(shí)，液滴從扁平泥狀恢復(fù)成近球狀，液橋恢復(fù)初始高度，人工肌肉“舒張”。就這樣，液態(tài)金屬的形態(tài)變化，被轉(zhuǎn)化成了驅(qū)動(dòng)行程及驅(qū)動(dòng)力。在0.25赫茲電壓（-0.5伏到4伏）驅(qū)動(dòng)下，人工肌肉能提供約20毫牛的拉力，40毫牛的推力，超過1毫米的驅(qū)動(dòng)行程。

研究人員通過對(duì)驅(qū)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以及將驅(qū)動(dòng)單元串并聯(lián)，來提升液態(tài)金屬人工肌肉的性能。此外，他們還開發(fā)出一種用液態(tài)金屬人工肌肉驅(qū)動(dòng)的仿生機(jī)器魚。該機(jī)器魚僅由一節(jié)80毫安時(shí)的鋰電池供電，游動(dòng)速度就能達(dá)到10厘米/分，并且續(xù)航時(shí)間可以達(dá)到40分鐘。

這項(xiàng)研究證實(shí)了液態(tài)金屬人工肌肉在低輸入電壓下具備卓越的驅(qū)動(dòng)性能，為未來開發(fā)基于低功率驅(qū)動(dòng)器機(jī)器人系統(tǒng)奠定了一定的基礎(chǔ)。