奇妙的液态金属手

 
 
奇妙的液态金属手  
 

人类对机器人的研究近乎痴迷。从重复简单动作的遥控机器人，到能够感知触觉、视觉、听觉的机器人，再到拥有丰富传感器能进行逻辑推理判断的智能机器人，机器人对人的模仿越来越惟妙惟肖，却依然难以摆脱被金属包裹的冰冷感。

机器人与人类的哪些不同导致了这些差别？科研人员将目光投向占人体80%的液体，它们将“碳基生物”与“硅基生物”区别开来。

但是，金属也可以是液态的。近日，美国纽约州立大学宾厄姆顿分校助理教授Pu Zhang在一项研究中，开发了他称之为“世界上第一个液态金属的晶格”，它由菲尔德金属制成——这是一种由铋、铟、锡组成的共晶合金。这种合金在62摄氏度的熔点下变成液体。用这种液态金属制作的人手能够随温度弯曲。

液态金属为柔软机器人研发提供了新思路。近日，相关论文成果发表于《增材制造》杂志。

赋予液态金属新应用

与水银、铁水等液态的金属不同，菲尔德金属为代表的液态金属是接近常温常压下仍能保持液态的一类合金。

目前，菲尔德金属正被用作核工程等领域的液态金属冷却剂，但研究界还发现了它的潜在用途。Pu Zhang和研究人员利用混合制造工艺将金属晶格材料与橡胶外壳结合起来，使该材料具有防湿、防尘、能抵御化学品和极端温度等优点。

“没有外壳，它还是不能工作，因为液态金属会流走。”Pu Zhang说，外壳骨架控制着物体的形状和完整性，因此液态金属应该被限制在特定通道中才能发挥更大作用。

“这种新型晶格材料很难加工，因此我们花了半年多的时间寻找合适的材料和工艺参数，最终研发出一种集三维打印、真空铸造和保形涂层等技术于一身的制造工艺。”Pu Zhang说。

中国科学院理化技术研究所副研究员盛磊告诉《中国科学报》，这项研究的巧妙之处在于，通过3D打印和铸造技术制造出拥有各种复杂形状的中空结构，再将液态金属灌入空腔以形成所需要的金属结构，最终通过液态金属固液转变来调控其形态和刚度。

为了验证新工艺，Pu Zhang所在的团队还制作了一系列原型。这些原型在加热到熔点后可以恢复形状，包括蜘蛛网状的天线、蜂巢和足球。

“这项研究拓宽了液态金属结构成型技术，对于推动液态金属柔性机器人这一领域的发展具有重要意义。”盛磊说。

当然，这些原型提供了非凡的视觉效果，但其背后的特性可以激发无数的用途。当液态金属处于固态时非常坚固，但在压碎过程中吸收大量能量；经过加热和冷却后，它会恢复到原来的形状，并可以重复使用。

不过，研究人员更希望制作一只像人类一样的手，让它随着金属晶格的熔化而慢慢张开。

现在这只手正随着温度变化而运动。Pu Zhang心中还有一个终极目标：“我们的梦想是建造一个液态金属晶格机器人，现在我们有了一只手，所以我们又向前迈了一步。”

目前，Pu Zhang所在的团队正在探索如何在这种金属晶格研究的基础上改进结构类型和涂层材料，以研制出完整的液态金属机器人。

“颠覆”还很遥远

早在30年前，Pu Zhang的终极目标已经被搬上银幕。1991年上映的《终结者2：审判日》中的机器人T-1000就由液态金属构成。它可随意变形，运动能力卓越，并且打不死、烧不死、冻不死，让人记忆深刻。

在液态金属研究上，我国亦处于领跑者地位。中国科学院理化技术研究所刘静团队也对这种神秘的液态金属产生了浓厚的兴趣。2015年，刘静团队研发出自主运动的可变形液态金属机器。