理化所等提出實現液態金屬大尺度可逆變形機制

　　近期，中國科學院理化技術研究所與清華大學聯合研究小組在《科學報告》（Zhang et al., Scientific Reports, 2014）上報道了首次發現的旨在實現液態金屬物體大尺度可逆變形的化學-電學協同控制機制SCHEME (Synthetically Chemical-Electrical Mechanism)。這是該小組繼發現可變形液態金屬基本現象(Sheng et al., Advanced Materials, 2014, 封面文章)之后的又一重要發現。相比于此前的單一性電學控制，SCHEME方法成功實現了液態金屬材料的大尺度可逆變形，使得向柔性智能機器的研制又邁進了關鍵一步。

　　在這篇題為Synthetically chemical-electrical mechanism for controlling large scale reversible deformation of liquid metal objects (《通過化學-電學協同機制控制液態金屬物體的大尺度可逆變形》)的研究論文中，作者們引入了酸、堿類電解質溶液，揭示了結合電場控制下的液態金屬鎵在球體和非球體之間的各種可逆轉換行為，探明了其中的SCHEME機制及影響因素。研究表明，由于純鎵表面張力極大（約700mN/m），意味著可在平坦表面上保持球體形態；而氧化鎵表面張力則趨近于0，因而可因重力和電學的雙重作用而沿水平方向大幅展開。在酸或堿類電解液中，通過加電作用，鎵球表面會迅速產生一層氧化鎵薄膜，這使其表面張力發生突降，由此實現展開乃至分裂效應；一旦切斷電壓，之前形成的氧化鎵層隨即被電解液溶解，從而將純鎵再度暴露于化學溶液中，液態金屬物體的表面張力于是自動恢復，變形體隨即收縮成最初的球體形狀，分裂的液態金屬則自動融合。如此，通過變換電壓大小和電解液濃度，可以調控液態金屬鎵的表面張力，進而實現對應的變形和離散幅度，這些基礎發現為研制液態金屬類柔性機器提供了關鍵技術支持。

　　研究還揭示出，在通電過程中若同時改變電極位置，則液態金屬會朝向電極生長和移動。該小組今年年初的研究曾表明，雖然通過單一的電場控制（如溶液為純水情況），也可借助電極極性的切換（對應液態金屬表面氧化、還原反應過程）實現可逆變形，但變形幅度偏弱。與此不同的是，基于SCHEME機制的液態金屬則在響應速度和變形幅度上展示出顯著優勢。此外，若調整電場的時空特性如采用正弦電壓供電，還易于實現類似于心臟搏動那樣的液態金屬往復式可逆變形行為，已可直接作為泵來使用；而借助電極響應，還能制作出對應的閥。系列實驗也表明，這些變形并不僅限于單質液態金屬鎵，二元、三元乃至更復雜組分合金如鎵銦、鎵銦錫、鎵銦錫鋅等也易于呈現對應的可逆變形行為，而單質金屬試驗可更清晰地揭示其中最根本的SCHEME機制。從技術角度而言，若借助電腦編程來調控電壓大小與供電方式、電極間距與排列組合方式、液態金屬體積及流道材料與形狀，乃至電解質溶液類型與濃度等，則可以獲得千奇百怪的變形行為，這在很大程度上印證了科幻電影《終結者》中所演繹的那種液態金屬機器人的超級變形能力。上述系列液態金屬可逆變形效應的發現有重要的科學意義和實用價值，首次系統地闡明了通過多場效應的協同作用機制，可精確調節液態金屬的表面張力繼而實現靈巧操控，由此奠定了實現大尺度可逆變形液態金屬物體的理論基礎，將大大加速柔性智能機器的研制進程。

　　當前，軟體機器人作為新一代機器類型，相應研究正處于如火如荼的起步階段，尋找其中的活性物質和控制機制至為關鍵。液態金屬作為一大類全新功能材料，在通向高性能柔性執行器的道路上已表現出內在優勢。以上液態金屬可逆、可控變形效應的發現，特別是對SCHEME機制的闡明，為今后發展軟體機器人技術指出了新的方向。若將這類可逆變形單元采用柔性材料予以封裝，并將特定微電子芯片嵌入特殊設計的分布式陣列中，則可望研制出基于液態金屬材料及SCHEME機制的柔性機器人。特別地，結合未來的人機接口技術，這類軟體機器人在醫療健康領域也會大有作為。

圖為基于SCHEME原理的液態金屬在NaOH溶液中的可逆變形機制與響應行為