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奇妙的“液態”機器人
發布日期:2020/5/14 16:51:04  來源:中國科學報  

人類對機器人的研究近乎癡迷。從重復簡單動作的遙控機器人,到能夠感知觸覺、視覺、聽覺的機器人,再到擁有豐富傳感器能進行邏輯推理判斷的智能機器人,機器人對人的模仿越來越惟妙惟肖,卻依然難以擺脫被金屬包裹的冰冷感。

機器人與人類的哪些不同導致了這些差別?科研人員將目光投向占人體80%的液體,它們將“碳基生物”與“硅基生物”區別開來。

但是,金屬也可以是液態的。近日,美國紐約州立大學賓厄姆頓分校助理教授PuZhang在一項研究中,開發了他稱之為“世界上第一個液態金屬的晶格”,它由菲爾德金屬制成——這是一種由鉍、銦、錫組成的共晶合金。這種合金在62攝氏度的熔點下變成液體。用這種液態金屬制作的人手能夠隨溫度彎曲。

液態金屬為柔軟機器人研發提供了新思路。近日,相關論文成果發表于《增材制造》雜志。

賦予液態金屬新應用

與水銀、鐵水等液態的金屬不同,菲爾德金屬為代表的液態金屬是接近常溫常壓下仍能保持液態的一類合金。

目前,菲爾德金屬正被用作核工程等領域的液態金屬冷卻劑,但研究界還發現了它的潛在用途。PuZhang和研究人員利用混合制造工藝將金屬晶格材料與橡膠外殼結合起來,使該材料具有防濕、防塵、能抵御化學品和極端溫度等優點。

“沒有外殼,它還是不能工作,因為液態金屬會流走!盤uZhang說,外殼骨架控制著物體的形狀和完整性,因此液態金屬應該被限制在特定通道中才能發揮更大作用。

“這種新型晶格材料很難加工,因此我們花了半年多的時間尋找合適的材料和工藝參數,最終研發出一種集三維打印、真空鑄造和保形涂層等技術于一身的制造工藝!盤uZhang說。

中國科學院理化技術研究所副研究員盛磊告訴《中國科學報》,這項研究的巧妙之處在于,通過3D打印和鑄造技術制造出擁有各種復雜形狀的中空結構,再將液態金屬灌入空腔以形成所需要的金屬結構,最終通過液態金屬固液轉變來調控其形態和剛度。

為了驗證新工藝,PuZhang所在的團隊還制作了一系列原型。這些原型在加熱到熔點后可以恢復形狀,包括蜘蛛網狀的天線、蜂巢和足球。

“這項研究拓寬了液態金屬結構成型技術,對于推動液態金屬柔性機器人這一領域的發展具有重要意義!笔⒗谡f。

當然,這些原型提供了非凡的視覺效果,但其背后的特性可以激發無數的用途。當液態金屬處于固態時非常堅固,但在壓碎過程中吸收大量能量;經過加熱和冷卻后,它會恢復到原來的形狀,并可以重復使用。

不過,研究人員更希望制作一只像人類一樣的手,讓它隨著金屬晶格的熔化而慢慢張開。

現在這只手正隨著溫度變化而運動。PuZhang心中還有一個終極目標:“我們的夢想是建造一個液態金屬晶格機器人,現在我們有了一只手,所以我們又向前邁了一步!

目前,PuZhang所在的團隊正在探索如何在這種金屬晶格研究的基礎上改進結構類型和涂層材料,以研制出完整的液態金屬機器人。

“顛覆”還很遙遠

早在30年前,PuZhang的終極目標已經被搬上銀幕。1991年上映的《終結者2:審判日》中的機器人T-1000就由液態金屬構成。它可隨意變形,運動能力卓越,并且打不死、燒不死、凍不死,讓人記憶深刻。

在液態金屬研究上,我國亦處于領跑者地位。中國科學院理化技術研究所劉靜團隊也對這種神秘的液態金屬產生了濃厚的興趣。2015年,劉靜團隊研發出自主運動的可變形液態金屬機器。

劉靜認為,液態金屬作為一類特殊功能材料,已展示出引領和開拓重大科技前沿的特質,有望在電子信息、先進制造、柔性機器人、生物醫療健康等領域帶來顛覆性變革。

當然,液態金屬離顛覆機器人產業還很遙遠!耙宰匀唤缟镞M化的觀點看,現在相當于培育出了‘細胞’,要使之成為完整的仿生物體柔性機器人,還需要生長出肌肉、神經、骨骼等等!眲㈧o說。

盛磊認為,當前液態金屬的研究還有欠缺,材料設計、傳感器、執行器、驅動及變形等方面研究比較集中,系統集成方面研究進展偏少,特別是軟體變形和柔性感知方面的研究難以統一。此外,液態金屬機器人在能量供給、運動方式調控、執行具體任務方面均有較大挑戰,工程實施方面也具有一定的難度。

潛在應用廣泛

很顯然,液態金屬及其衍生的復合多功能材料擁有流體、電、磁、熱等獨特屬性,在柔性機器人領域具有巨大的應用價值。

“基于液態金屬的柔性機器不僅具備可逆可控復雜變形特性,還因液態金屬柔性電子而賦予柔性機器多模態感知功能,從而引申出全新的可變形機器概念!敝袊r業大學工學院副教授何志祝說。

何志祝介紹,目前,液態金屬已經在高性能熱管理、柔性電子電路、3D增材制造、柔性可變形機器人、生物醫學材料等領域有了變革性的技術應用。

“在液態金屬的應用中,美國宇航局或私人航天公司或許對此更感興趣!盤uZhang表示。自2012年在匹茲堡大學攻讀博士學位以來,PuZhang一直在研究晶格材料,他認為衛星設計者可以將“蜘蛛網”打包成一個小包裹,然后在軌道上作為天線展開使用。此外,將來在月球或火星上建立的液態金屬建筑有望占用相較一般建筑材料更少的空間。

PuZhang認為,用金屬晶格材料建造一艘行星際飛船可能是更有意義的!叭绻w船在月球或火星上著陸時受到某種撞擊,可能會墜毀。通常,工程師使用鋁或鋼來制造緩沖結構,但在人類登月后,金屬會吸收能量并變形,導致傳統金屬無法使用!

“使用液態金屬后,人類可以像對待其他金屬一樣撞它,它們也會隨著加熱恢復原形,因此可以反復使用!盤uZhang說。

整體看,液態金屬柔性機器的研制和產業化推進還處于啟動階段,蘊藏著巨大發展機遇。何志祝表示,由液態金屬引發的新一代柔性可控變形單元,有望用于構建各類全新概念的先進機器人技術,在民用乃至國防安全,如可重構天線、可重構飛行器、液態金屬外骨骼等方面具有巨大的想象空間。

盛磊補充說,液態金屬既可被電場、磁場等外部場驅動,同時也可以進行自驅動運動。因此,液態金屬可被靈活驅動的特點在微納米機器領域有著自己獨到的優勢,如可以做成攜帶藥物的納米機器人,精準滅殺生物體內的癌細胞等。

相關論文信息:https://doi.10.1016/j.addma.2020.101117(卜葉)


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