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中国科学家制造了世界上第一台液态金属机器,这一成果被外媒形容为制造了一台“终结者”。
据中科院理化所网站消息,3月3日,由刘晶领衔的中科院理化所和清华大学医学院联合研究组在先进材料上发表了题为《自燃料生物医用液态金属软体动物》(2015)的研究论文。《新科学家》、《自然研究集锦》、《科学新闻》等数十家知名科学杂志或专业网站对其进行了专题报道。在国际上引起重要反响和热烈讨论。
这项研究在国际上首次发现了一种不同寻常的独特现象和机制,即液态金属在吞咽少量物质后,可以以可变形机器的形式长时间高速运动,从而实现无需外部动力的自主运动,从而为开发实用的智能电机、血管机器人、流体泵送系统、柔性致动器乃至更复杂的液态金属机器人奠定了理论和技术基础。这是该组首次发现电控可变形液态金属的基本现象(盛等,先进材料,2014,封面文章;张等,科学报告,2014)。
这种液态金属机器完全摆脱了复杂的外部动力系统,从而向自主柔性机器的发展迈出了关键的一步。这篇文章被选为该杂志的封面故事。Altmetric计量学数据显示,其指数达到71.0,远高于期刊平均水平6.7,在同期论文中排名第一。
揭示了置于电解液中的镓基液态合金可以通过“摄取”铝作为食物或燃料来提供能量,实现高速高效的长期运行。一小片铝可以驱动一个直径约5毫米的液态金属球实现连续运动1小时以上,速度高达5厘米/秒,这种柔性机器不仅可以在自由空间运动,还可以在各种结构的通道中蜿蜒运动。令人惊讶的是,它还可以随着道路沿线通道的宽度做出自己的变形调整。到了一个转弯的时候,它停顿了一下,好像稍微思考了一下,然后继续前进。整个过程就像科幻电影中终结者机器人的出现。
应该说,液态金属机器的一系列不同寻常的习性,与自然界中一些简单的软体动物相当接近,比如能够“吃”食物(燃料),能够自主运动,能够变形,具有一定的代谢功能(化学反应),所以作者将其命名为液态金属软体动物。这种人工机器的发明也提出了“如何定义生命”的问题。
目前,根据上述原理,实验室已经可以制造出不同尺寸的液态金属机器,从几十微米到几厘米,可以在碱性、酸性甚至中性溶液等不同的电解质环境中运动。实验和理论分析表明,这种自主液态金属机器的动力机制来自两个方面:一是液态合金、金属燃料和电解质之间的原电池效应会形成内生电场,在液态金属表面诱发高表面张力的不对称响应,进而对容易变形的液态金属机器造成强大推力;同时,上述电化学反应产生的氢气也进一步提高了推力。正是这种双重作用导致了液态金属发动机的非凡行为,这种能量转换机制对特种能源动力系统的发展也具有重要意义。
在迄今为止发展起来的各种柔性机器中,自主液态金属机器的变形能力、运行速度和寿命水平是罕见的,这为它们增加了许多重要的应用。作为具体应用装置之一,论文还展示了第一台无外接电源的液态金属泵。通过将其限制在阀座内,可以达到自转和泵送流体的目的。基于此,可以快速制造大量微泵,满足液体药物和阵列微流体的输送,且成本极低。如果将这种柔性泵用于冷却,还可以实现高度集成的微芯片冷却器。进一步的应用可以发展成血管或腔体机器人,甚至自组装智能液态金属机器。
上述首次发现在网上发表后,短时间内引起了全球众多科学杂志、专业网站和新闻媒体的关注。《新科学家》在文章中报道,并在第一时间精心制作视频:“液态金属让变形机器人更近一步”“指出它“将是未来电影中看到的人工生命的种子”;《自然》杂志在其研究亮点专栏中以“液态金属发动机自己运动”为题进行了报道。《科学》网站发布观察文章和视频:“变形金属马达有多种用途”;路透社也对此进行了专题报道。
有许多科学杂志或专业网站报道这项工作,物理学家组织的网站:“能够在液体中自驱动的变形液态金属”;CEN化学工程新闻:“推出液态金属发动机”;揭开加州:“世界首个液态金属机器人”;Siliconrepublic:“第一台终结者型液体马达问世,潜力无限(第一台终结者-1000型液体马达研制,潜力无限)”;镜像:“真正的终结者1000液态金属马达(真人
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