11月11日，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所低溫生物與醫(yī)學(xué)研究組首次發(fā)布了液態(tài)金屬可在石墨表面以任意形狀穩(wěn)定呈現(xiàn)的自由塑型效應(yīng)，并實(shí)現(xiàn)了逆重力方式的攀爬運(yùn)動的研究成果。
該研究成果是首次發(fā)現(xiàn)通過引入石墨基底，可靈活自如地將處于電解液環(huán)境中的液態(tài)金屬塑造成各種銳利圖案如條形、三角形、方形、環(huán)形以及更多任意形狀。
迄今，液態(tài)金屬雖可通過外加電場短暫改變形狀，然而一旦去除外場，液態(tài)金屬即會在其表面張力作用下迅速回縮成球形，無法維持先前的結(jié)構(gòu)。此項(xiàng)研究的負(fù)責(zé)人劉靜介紹，此次發(fā)現(xiàn)的液態(tài)金屬自由鋪展與塑型效應(yīng)，為柔性變形機(jī)器人的研制乃至4D打印等提供了新方向。
該項(xiàng)研究首次實(shí)現(xiàn)了在開放液體環(huán)境中的液態(tài)金屬自由塑形，突破了原有的液態(tài)金屬元件調(diào)控模式，在不定形柔性電子器件、可變形智能機(jī)器的設(shè)計(jì)乃至先進(jìn)制造方面有重要價(jià)值。
基于石墨表面的液態(tài)金屬自由塑形效應(yīng)，研究人員探索了電場作用下，液態(tài)金屬不同于傳統(tǒng)基底材料如塑料、玻璃等情形的豐富物理化學(xué)圖景，初步揭示了其獨(dú)特的變形及匍匐運(yùn)動行為的內(nèi)在機(jī)制。有趣的是，劉靜研究組還首次揭示出處于自由空間下的電控液態(tài)金屬的蠕動爬坡能力，實(shí)現(xiàn)了逆重力方式的運(yùn)動。而采用常規(guī)材料，液態(tài)金屬會因自身重力較大且表面光滑難以攀爬的緣故，不易通過外電場實(shí)現(xiàn)逆重力牽引。劉靜指出：“新發(fā)現(xiàn)擴(kuò)展了近年來興起的液態(tài)金屬柔性機(jī)器的理論與技術(shù)內(nèi)涵。”
“液態(tài)金屬”指的是一種不定型金屬，可看作由正離子流體和自由電子氣組成的混合物，是一種有黏性的流體，具不穩(wěn)定性。它可通過充型過程，形成各種鑄件。在液態(tài)金屬與水體交界面上的雙電層效應(yīng)，可以令室溫液態(tài)金屬具有在不同形態(tài)和運(yùn)動模式之間轉(zhuǎn)換的普適變形能力。比如，浸沒于水中的液態(tài)金屬對象可在低電壓作用下呈現(xiàn)出大尺度變形；一塊很大的金屬液膜可在數(shù)秒內(nèi)即收縮為單顆金屬液球。
事實(shí)上，劉靜實(shí)驗(yàn)組不只在這次研究上獲得重大成果，在液態(tài)金屬的研究領(lǐng)域，劉靜實(shí)驗(yàn)組一直都處于世界的前列。
2013年6月，把液態(tài)金屬做成打印“墨水”，劉靜團(tuán)隊(duì)首次研發(fā)出紙上直接生成電子電路的技術(shù)；2014年，團(tuán)隊(duì)又研發(fā)出世界首臺室溫液態(tài)金屬打印機(jī)，借助該設(shè)備，只需在計(jì)算機(jī)上設(shè)定程序，就可以“打”出個性化的電路系統(tǒng)；2015年初，劉靜帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)造出世界首臺液態(tài)金屬機(jī)器的信息引起《科學(xué)》等權(quán)威網(wǎng)站的關(guān)注，被形容為制造出“終結(jié)者”。該研究成果為研制實(shí)用化智能馬達(dá)、血管機(jī)器人、流體泵送系統(tǒng)、柔性執(zhí)行器乃至更為復(fù)雜的液態(tài)金屬機(jī)器人奠定了理論和技術(shù)基礎(chǔ)。
10多年來，由中科院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)域取得重大突破。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。
近些年，劉靜團(tuán)隊(duì)一直在致力于聯(lián)合工業(yè)界推動液態(tài)金屬產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。劉靜曾表示：“我們有幸在液態(tài)金屬研究上走在世界前頭，但在產(chǎn)業(yè)方面不能落后，我們要把握歷史機(jī)遇，幫助我國建成世界級的液態(tài)金屬谷。”
隨著科技的不斷進(jìn)步，液態(tài)金屬已經(jīng)走進(jìn)了我們的視野，但擁有液態(tài)金屬就意味著能制造出“變形機(jī)器人”嗎？
理想情況下，利用這項(xiàng)技術(shù)，人們無需對機(jī)器人進(jìn)行如何的塑形，只需要按照一定程序來改變水的酸堿成分，金屬就能自行達(dá)到既定的形狀。這項(xiàng)技術(shù)達(dá)到一定程度之后將徹底改變鋼材的應(yīng)用范圍。比如當(dāng)無人機(jī)需要穿越一個較為低矮的地方，如果采用了這種液態(tài)金屬之后，它可以瞬間變成扁平狀，一舉飛躍障礙。
當(dāng)然這項(xiàng)技術(shù)還有很長的路要走，短時間內(nèi)想要實(shí)現(xiàn)它是不可能的。建造液態(tài)金屬機(jī)器人所需要的編程復(fù)雜性將遠(yuǎn)超目前的方法。更困難的是，想要達(dá)到“變形機(jī)器人”的這種高度，勢必要求內(nèi)部的所有智能設(shè)備也必須采用液態(tài)金屬，就目前的情況來看，我們還找不到一項(xiàng)合適的技術(shù)能夠解決。（韓碩）