液态机器人-液态机器人怎么消灭-施瓦辛格液态机器人

am928 · 发表于 2025-4-18 04:47:16

想象一下，在不久的未来，你踏入家门之时，迎接你的不再是蹦跳的宠物，也不再是家人温暖的拥抱，而是一个能够感知你情绪的人形机器人，它还能帮助处理家务，甚至可以与你进行深入对话。这会是怎样的一种体验呢？这听起来就像科幻小说中的情节，但这一未来景象正逐渐变为现实。

中国科学院理化技术研究所的刘静课题组经过多年对液态金属可变形机器原理的探索，系统地提出了构筑未来人形机器人的液态金属基本要素和设计思想，这为人形机器人进一步向柔性化、敏捷化以及更类人化、智能化发展勾画出了新的发展蓝图和技术路线，其前瞻性评述文章以“Metal based Soft”为题，在《》期刊上发表。文章第一作者为博士生李楠，通讯作者为刘静研究员。

一个超越传统的柔性机器人领域得以快速成型，为研制更为复杂且贴近生活的智能机器人打开了诸多空间。

为促使领域实现跨越式发展，在这篇论文里，作者们对液态金属及其衍生物进行了系统剖析。他们发现液态金属及其衍生物在推动柔性仿生机器人取得突破方面具有巨大潜力。通过全面解读仿生学，作者们总结出液态金属在构建类人机器人中扮演着多面手的角色，它可以作为柔性传感器、执行器、动力源、逻辑单元、网络系统，甚至是可变形骨骼等。文章指出，将这些组元与柔性机构进行集成，同时借助液态金属的独特属性，就能够开发出多功能且灵活敏捷的机器人，这样就能更好地满足人类的需求。这种从传统金属框架向类似生物有机体的混合式软硬结构的转变，将会在机器人设计领域引发一场变革。

图展示的是未来人形机器人的进化路线，其会从刚体结构转变为更类似人类的柔软性。这就意味着要把逻辑器件、传感器、执行器、电路系统、电池以及结构都转换成液态金属柔性部件。

执行器：机器人运动的核心

执行器是构建人形机器人的核心部件之一。目前，多种液态金属基柔性执行器正在被加紧探索。例如，液态金属电执行器已被逐步研发出来；电磁执行器已被逐步研发出来；液晶弹性体执行器已被逐步研发出来；介电弹性体执行器已被逐步研发出来；一些电热执行器也已被逐步研发出来。

图A-G为各类电动和电磁执行器。图 A 表明液态金属表面张力驱动的电气控制行为能够充当一个执行器，并且多个这样的执行器可以进行集成；图 B 呈现的是基于电动执行器的货物交付系统；图 C 展示的是类似天然肌肉的层状液态金属驱动器；图 D 显示的是基于液态金属的人工心脏；图 E 为柔性电磁执行器；图 F 呈现的是采用液态金属可拉伸导线和软永磁体的微型电磁夹持器；图 G 展示的是磁性液态金属纸的蠕虫状运动。

感官系统：机器人与环境互动的桥梁

液态金属基的应力传感器能在极大程度上为未来人形机器人构建感官系统；液态金属基的压力传感器能在极大程度上为未来人形机器人构建感官系统；液态金属基的触觉传感器能在极大程度上为未来人形机器人构建感官系统；液态金属基的温度传感器能在极大程度上为未来人形机器人构建感官系统；液态金属基的气体传感器能在极大程度上为未来人形机器人构建感官系统；液态金属基的光学传感器能在极大程度上为未来人形机器人构建感官系统；液态金属基的惯性传感器能在极大程度上为未来人形机器人构建感官系统；液态金属基的可重构天能在极大程度上为未来人形机器人构建感官系统。下图总结了压力传感器应用于人形机器人感知系统的情形。篇幅有限，其他类型的传感器在此不详细说明，具体内容可查看作者原文。对于执行器、电路系统、电池以及结构组件等单元，情况也是一样的。

图 A 是在每个下肢关节处放置柔性压力传感器来捕获运动信息；图 B 是一种可粘附皮肤且可拉伸的集成压力传感器，其被设计用于无线监测人体运动；图 C 是用于姿态检测的液态金属电容式压力传感器；图 D 是改进后的波浪形压力传感器；图 E 是可同时检测温度和变形的双参数传感器。

能源系统：机器人生命的源泉

电池技术对未来人形机器人至关重要，它犹如能源心脏。液态金属一方面能够缓解传统锂电池存在的枝晶膨胀和电极断裂问题，另一方面还可以用来构建可拉伸柔性电池，并且能够模拟生物学能源所特有的存储即使用的用能方式，从而为柔性能源器件贡献力量。

图A-H为液态金属锂电池技术和柔性电池设计。图 H 是环境温度下的全液电池。

逻辑器件：机器人大脑的核心

传统的刚性逻辑器件与之相比，液态金属在柔性逻辑和计算系统的开发方面迈出了重要一步。从仿生角度来看，未来人形机器人的大脑必定是柔性的。并且目前的液态金属具有很大的发展柔性逻辑器件的潜力，像液态金属逻辑器、液态金属开关、液态金属二极管、液态金属存储器、液态金属交直流转换器等都已经初步被开发出来了。

图A-J为液态金属开关，逻辑器件，执行器控制。图 A 是用于温度控制的开关材料；图 B 是电控的液态金属开关；图 C 是磁控的液态金属开关；图 D 是 2×2 交叉棒阵列的柔性忆阻器；图 E 是能精确控制氧化层厚度的柔性二极管；图 F 是柔性热致变色触觉逻辑控制系统；图 G 是基于液态金属的逻辑控制单元的两种不同形式；图 H 是 DC-AC 变换器；图 I 表明二极管具有很高的拉伸性，能够承受高达 500%的变形且不会出现故障；图 J 是具有逻辑计算和执行器控制功能的液态金属机电一体化装置。

电路网络：机器人神经与血管系统的基础

液态金属相较于铜线的刚性具有优势，它为人形机器人提供了可靠的柔性电路网络构建方案。从制备复杂的电路图案开始，到制作柔性电路板，以及制造柔性可拉伸导线，液态金属在构建人形机器人的神经（传递信号）和血管（传递电流）网络系统方面是不二之选。

图A-J为可拉伸液态金属柔性导线。图 A 是在室温下通过同轴湿纺工艺来制备液态金属包芯线材；图 B 是于室温下运用顺序微流体纺丝和注射方法快速制成液态金属丝；图 C 是用于制作空心线壳的 PVA 材料；图 D 包含多个液态金属导体铁芯且为单一弹性体（SEBS）；图 E 利用 Ga 的相变特性来制作线材；图 F 可连续生产 PDMS 空心线套；图 G 是辊涂技术；图 H 是在水凝胶上通过电化学氧化生成连续的镓线；图 I 是一种中间嵌有弹性体的液态金属纤维。

结构组件：机器人的可变形骨骼

液态金属具有多种室温附近的熔点，它具备在电、磁、热等物理场下大幅度发生刚性转变的能力。这种液态金属骨骼会赋予未来人形机器人更多新功能，像可变形以及可重构等。

图 A 到 G 是基于液态金属的可调刚度结构，其中包含相变粘接，还有形状调整以及可调承载能力。图 A 表明液态金属的相变能够显著提升其粘附性能；图 B 展示的是涂覆液态金属的 PDMS 柱的粘附行为；图 C 呈现的是液态金属与表面之间的间接接触附着力；图 D 所指的是用于对机器人机械手位置进行补偿的形状适应性材料；图 E 显示海参组织硬度的可逆变化引发了固液的快速转变；图 F 说明利用液态金属的固液相转变可以提高柔性执行器的承载能力；图 G 表示材料的刚度能够通过外加磁场来进行调节。

未来展望

液态金属在人形机器人中有全方位的应用潜力。它涉及柔性执行器、传感器、电池、逻辑器件、电气系统、可变形骨骼、网络系统等。同时，还涉及更多仿生型解剖单元和机构。这些新型液态金属单元有望大幅度改变现有人形机器人的功能，并且为未来人形机器人通向更智能、更友好、更安全的方向铺平道路。

人形机器人中的液态金属单元被总结了，它有各种潜在应用，涵盖了柔性致动器、传感器、电池、逻辑器件、电气系统和可变形骨骼等。

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