液态机器人-液态机器人制造出来了吗-哈工大液态机器人
当前位置为 X-MOL 首页，处于行业资讯范畴，其中有关于 AMR 的内容，即清华大学刘静教授团队表示：液态金属可变形机器。AMR ｜清华大学刘静教授团队：液态金属可变形机器
近日，清华大学的刘静教授团队受到邀请，在《材料研究评述》（of ）期刊上发表了综述《液态金属可变形机器》（metal ）。该团队对实验室在液态金属可变形机器方面的典型进展进行了解读，并对这一领域的未来前景作出了展望。论文被选入 ACS 。ACS 每天会从其旗下 70 余本期刊所发表的全部论文中选出 1 篇，比例小于 1%。该论文同时入选了期刊封面故事。文章的共同第一作者是清华大学水木学者汪鸿章博士和陈森博士，通讯作者是清华大学刘静教授和北京航空航天大学孙旭阳副教授，合作者还包括清华大学助理研究员袁博博士。
作者团队简介
刘静，清华大学教授，中科院理化所双聘研究员。长期致力于液态金属、工程热物理与生物医学工程等方面交叉问题的研究。在研究过程中，发现了液态金属的诸多全新科学现象和基础效应。这些发现为液态金属在柔性机器人、生物医疗、印刷电子与 3D 打印以及芯片冷却等领域的探索实践开辟了道路。研发出的众多液态金属产品、高端肿瘤微创治疗装备及无线移动医学仪器得到了广泛的应用。他在 2003 年获得了国家杰出青年科学基金。他曾荣获国际传热界的最高奖之一“The Medal”，以及全国首届创新争先奖。他先后入选了“两院院士评选中国十大科技进展新闻”，还入选了 CCTV 年度十大科技创新人物，同时也入选了 R&D 100 等。出版了 16 部跨学科的前沿著作，获得了 300 余项授权发明专利，有 40 余篇关于液态金属主题的论文入选了国际期刊的封面或封底故事。
NO.1
文章内容简介
长期以来，实现能够在不同形态之间自由转换的变形机器人，是为了执行常规技术难以完成的更特殊、更高级的任务，这是全球科学界与工程界的一个梦想，相应的探索具有重大的理论意义和实际应用前景。近年来，随着本研究团队在液态金属一系列基础发现上取得成果，液态金属作为新一代可控变形机器的基本构筑单元，在学术界受到广泛重视。本篇综述主要解读本实验室在液态金属可变形机器方面的典型进展和启示，同时对这一领域未来前景作出展望。
传统机器一般由坚硬材料构成，主要以刚体的形态进行运动，在控制方面能够做到精准且迅速。不过，复杂多变的环境给这类机器人在灵活性、顺应性以及与人类交互的安全性方面带来了极大的挑战。基于此，软体机器便随之产生了，它主要是用弹性模量小于 1GPa 的软材料制作而成的（如图 1 所示），其运动是通过软材料发生变形来实现的。不过，发展到现在，已有的软体机器和理想中智能机器的变形能力相比，存在较大差距。 已有的软体机器发展至今，其变形能力与理想中智能机器的变形能力存在较大差距。 现已有的软体机器发展到目前这个阶段，与理想中智能机器的变形能力有着较大的差距。 发展到如今的已有的软体机器，在变形能力方面与理想中智能机器存在较大差距。 已有的软体机器发展到现在，其变形能力与理想中智能机器的变形能力相比，差距较大。
图1 典型机器分类及其组成材料的杨氏模量范围
2001 年左右，作者团队开始着力于对当时并不广为人知的常温液态金属进行深入研究和拓展。团队经过十余年持续探索和积累，在 2013 年首次发现一个基本现象和原理，即在电场调控下，液态金属与水的复合体能够在各种形态及运动模式之间进行转换。团队还揭示出液态金属呈现出大尺度变形、旋转、定向运动以及合并、断裂 - 再融合等行为（如图 2 所示）。在其响应过程中，表面积的改变甚至能够达到上千倍，并且能够轻易地钻过比自身狭窄很多倍的缝隙。这一工作在国际上产生了重大的反响，它成为了液态金属可变形机器人领域的开端。业界普遍持有这样的观点，即这一“液体机器意味着柔性机器人进入了一个新的时代”，并且“终结者有希望走进现实”。此后，团队拓展出了更多液态金属可变形机器的驱动方式。（图 3 展示了这些驱动方式）其中包括通过胞吞效应赋予液态金属磁性，这样就能摆脱机器受限于溶液环境的问题。通过这种方式实现了在三维空间的可编程控制，也为多自由度驱动液态金属提供了技术基础。
图2 电控可变形液态金属机器的各种典型响应模式
图3 液态金属可变形机器：从材料、驱动到变形
https://img2.baidu.com/it/u=2909595983,2873348107&fm=253&fmt=JPEG&app=120&f=JPEG?w=640&h=400
2014 年末，团队首次在世界上发现了一种液态金属自驱动现象和机制。这种现象和机制很异常且独特。液态金属能够通过吞食微量“铝箔”，从而形成全柔性自驱动机器（图 4）。该机器速度能达到每秒厘米级，并且可以持续运行数小时。在运动过程中，液态金属机器还可以根据轨道角度和宽度来调整自身形状。这样就能实现无需外界能量供应的自主变形和运动。而且在分离和组装之后，仍然能够保持运动。如果将这种自驱动液态金属打散，就可以瞬间生成大量快速运动的微马达群。这些微马达群在电场作用下能够形成高速定向运动。在磁场作用下则会表现出磁陷阱效应（图 4）。这一系列工作为研制更为复杂的液态金属机器人奠定了理论和技术基础。
图4 以进食方式获能的自驱动液态金属可变形机器及微型马达群
在本综述里，作者梳理了团队首次发现的一系列液态金属固液组合机器效应，也就是图 5 所展示的那些。在液态金属基自激振荡效应中，实验表明：预先处理过的铜丝接触含铝液态金属后，会被快速吞入，然后在液态金属基座上进行长时间的往复运动，这种运动就像小提琴被拉动的琴弦那样。并且，其振荡频率和幅度能够通过另一金属，比如不锈钢丝触碰液态金属而进行灵活的调控。这一突破性发现对传统的界面科学知识进行了革新，同时也为柔性复合机器的研制开启了新的思路，并且相应的架构还能够用作流体、电学、机械以及光学系统的控制开关。液态金属与低沸点工质相结合，能够实现大尺度变形的柔性机器架构，例如自由变形的软体章鱼以及定向蠕动的软体动物等。
图5 由液态金属机器驱动的固液组合系统
液态金属机器的问世，引出了全新的可变形机器概念。它将显著加快柔性智能机器的研制进程。该领域取得的一系列基础发现，为可变形体特别是软体机器的设计和制造开辟了全新途径，也奠定了新一代可变形机器的理论基础，具有重大的科学意义和深刻的应用前景。近年来，全球实验室在这个方向上持续接力研发。液态金属变形机器取得了诸多可喜的进展，这些进展既涉及宏观方面，也涉及微观方面。但总体来看，这一领域仍处在发展的早期，正蓬勃兴起。如果能够充分利用液态金属所展现出的巨大潜力，并与相关技术相结合，就会引发各种超越传统的机器变革。可以预见，未来学术界和产业界会有更多的通力合作。这种合作有望不断克服各种应用上的技术瓶颈。最终，液态金属可变形机器能够应用于实践。
NO.2
AMR：请问您选择这个领域的初心是什么？
刘静教授：
液态金属机器人这一新领域是由本实验室的偶然发现催生出来的，之后它成为了学术界的主流方向。我们的研究初衷是想要找到一条能够改变传统机器人研究现状的基础途径。以往，学术界研发出了多种软体动物机器人。不过，这些机器人大多仍由多个硬质单元组成机构。它们与具备柔软和普适变形乃至融合等高级能力的机器相比，存在着相当大的距离。并且，它们也不同于自然界中有着柔软外表、无缝平滑连接的人或动物。液态金属可变形机器效应被发现了，这对发展全新概念的柔性机器有着关键的理论与技术启示。从这里出发，能够逐步构筑和进化出可变形机器。近年来的发展情况表明，这毫无疑问打开了前所未有的探索空间。
NO.3
AMR：请和大家分享一下这个领域可能会出现的研究机会！
刘静教授：
液态金属机器人被公认为机器人领域重大发展方向之一，发展前景广阔，研发机会众多。例如：发明各种液态金属功能材料；由此引申出超常构象转换、变形与运动机理、调控方法以及构筑机器人原理等；同时，液态金属与生物学、机器人、电子和智能科学等融合，有望促成液态金属可变形机器人理论与应用技术体系的革新，也为各有关学科前沿提供了丰富研究空间。
NO.4
AMR：请问有什么科研心得想分享给读者们?
刘静教授：
https://img2.baidu.com/it/u=4045430646,2516660192&fm=253&fmt=JPEG&app=120&f=JPEG?w=667&h=500
我认为，在“科技无人区”进行探索存在重重困境。然而，一个好处是机遇会不期而遇。不过，这通常是一个量变引发质变，必然性与偶然性相互出现的过程。所以，甘坐冷板凳并且能够长期坚持是十分必要的，这几乎也是获取“源头”成果的必经之路。以下分享几则从实践中得到的体会：
科研中一万小时定理往往是正确的。由于使命的驱动，面向解决重大需求而进行的艰苦探索，有可能催生出变革。我意识到，用液态金属冷却 CPU 芯片，是在穷尽无数方案之后偶然得到的成果，这也算是自己始终不忘初心，总是想要找到全新解决方案的结果。
前沿研究常常能给探索者带来“无心插柳柳成荫”般美妙的体验。最初在做冷却试验时，液态金属飞溅到电脑屏幕上后不易擦除，这启发了我萌生了液态金属印刷电子的想法。如今，该领域发展势头迅猛，一发不可收，影响面极为广泛。
在科学研究中，刻意去做一些事情是很有必要的。我决定在一片空白的液态金属生物材料上走出一条路，这完全是主动去做的行为。因为我一直认为液态金属作为一种新材料，在生物医学领域必定有可以施展才能的地方。事后证明，这个领域确实是一个非常丰富的宝库。
我们深刻体会到“偶然发现”对于新领域的催生具有极为重要的意义。当初开展液态金属神经连接与修复试验时，电学诱发金属液滴旋转，这触动了我们，从而掀开了液态金属机器人研究的大门，这促成了液态金属可变形机器以及后续更多基础现象的发现，最终形成了一个全新的柔性机器人领域，这其中有一定的偶然性。
NO.5
AMR：请问您对该领域的人才培养有何种倡议?
刘静教授：
希望能培养出科研领域更多的第一个吃螃蟹者。新兴领域一开始通常是无人区。因为研究存在不确定性和挑战性，所以探索者需要有一定的勇气、眼界和定力。然而，这样的科研征程总能让前行者见到稀世风景，从而带给他们兴奋和期待。这就是科学研究的魅力所在。在这条道路上的任何发现和努力都是值得欢呼的，因为它们都为科学的进步和升级提供了路标。希望能培养出更多年轻人，这些年轻人要有探索心性，并且勇于进行科学探险，还要敢于进行科学探险。
扫码阅读刘静教授团队的精彩文章：
metal
Wang、Sen Chen、Bo Yuan、Jing Liu 以及 Sun
原文链接：
投稿指南
目前的投稿主要是由编辑团队发出邀请的。如果您有投稿的意愿，那么首先需要按照相关要求准备好并进行投递，之后编辑团队会对您的投稿进行评审。倘若您的投稿被接受，我们将会向您发送投稿邀请。您可以扫码阅读作者指南，并且下载相关表单。
页:
[1]