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中科院与清华联合研制出世界首台自主运动可变形液态金属机器 已有1人参与
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中科院与清华联合研制出世界首台自主运动可变形液态金属机器 发表时间：2015-03-25 14:21:28 字号：A-AA+ 关键字: 液体金属机器液体金属终结者金属机器液体金属马达可变形机器人 中国科学家造出了世界首台液态金属机器，这一成就被外媒形容为制造出“终结者”。 据中科院理化所网站，3月3日，由刘静研究员带领的中国科学院理化技术研究所、清华大学医学院联合研究小组，在Advanced Materials上发表了题为“Self-Fueled Biomimetic Liquid Metal Mollusk”(2015)的研究论文，迅速被New Scientist、Nature研究亮点、Science新闻等数十个知名科学杂志或专业网站专题报道，在国际上引起重要反响和热议。 此项研究于世界上首次发现了一种异常独特的现象和机制，即液态金属可在吞食少量物质后以可变形机器形态长时间高速运动，实现了无需外部电力的自主运动，从而为研制实用化智能马达、血管机器人、流体泵送系统、柔性执行器乃至更为复杂的液态金属机器人奠定了理论和技术基础。这是该小组继首次发现电控可变形液态金属基本现象(Sheng et al., Advanced Materials, 2014, 封面文章；Zhang et al., Scientific Reports, 2014)之后的又一突破性发现。 这种液态金属机器完全摆脱了庞杂的外部电力系统，从而向研制自主独立的柔性机器迈出了关键的一步。文章被选为期刊内前封面故事，Altmetric计量学数据显示其指数已达71.0，远高于期刊平均值6.7，在同时期论文中则排名No.1。 研究揭示，置于电解液中的镓基液态合金可通过“摄入”铝作为食物或燃料提供能量，实现高速、高效的长时运转，一小片铝即可驱动直径约5 mm的液态金属球实现长达1个多小时的持续运动，速度高达5cm/s。这种柔性机器既可在自由空间运动，又能于各种结构槽道中蜿蜒前行；令人惊讶的是，它还可随沿程槽道的宽窄自行作出变形调整，遇到拐弯时则有所停顿，好似略作思索后继续行进，整个过程仿佛科幻电影中的终结者机器人现身一般。 应该说，液态金属机器一系列非同寻常的习性已相当接近一些自然界简单的软体生物，比如：能“吃”食物（燃料），自主运动，可变形，具备一定代谢功能（化学反应），因此作者们将其命名为液态金属软体动物。这一人工机器的发明同时也引申出“如何定义生命”的问题。 目前，实验室根据上述原理已能制成不同大小的液态金属机器，尺度从数十微米到数厘米，且可在不同电解液环境如碱性、酸性乃至中性溶液中运动。试验和理论分析表明，此种自主型液态金属机器的动力机制来自两方面：一是发生在液态合金、金属燃料及电解液间的Galvanic电池效应会形成内生电场，从而诱发液态金属表面的高表面张力发生不对称响应，继而对易于变形的液态金属机器造成强大推力；与此同时，上述电化学反应过程中产生的氢气也进一步提升了推力。正是这种双重作用产生了超常的液态金属马达行为，这种能量转换机制对于发展特殊形态的能源动力系统也具重要启示意义。 可变形液态金属机器在内含电解液的容器或各种槽道中的自主运动情形 自主型液态金属机器所展示的人工软体动物、实物马达及其驱动流体情形 在迄今所发展的各种柔性机器中，自主型液态金属机器所表现出的变形能力、运转速度与寿命水平等均较为罕见，这为其平添了诸多重要用途。作为具体应用器件之一，论文还特别展示了首个无需外界电力的液态金属泵，通过将其限定于阀座内，可达到自行旋转并泵送流体的目的，据此可快速制造出大量微泵，满足诸如药液、阵列式微流体的输运等，成本极低；若将此类柔型泵用作降温，还可实现高度集成化的微芯片冷却器；进一步的应用可发展成血管或腔道机器人甚至是可自我组装的液态金属智能机器等。 刊载上述首创性发现的文章在线发表后，短时间内即引起世界范围内众多科学杂志、专业网站和新闻媒体的高度重视。New Scientist在第一时间以文章和精心制作的视频进行了报道：“液态金属朝可变形机器人迈进一步(Liquid metal brings shape-shifting robot a step closer)”指出其“将成为今后电影中人工生命的种子(Such liquid robots will be a seed of artificial life seen in some movies)”；Nature杂志在其研究亮点栏目以“液态金属马达靠自身运动(Liquid metal motor moves by itself)”为题进行了报道；Science网站发布观察文章和视频：“可变形金属马达拥有一系列用途(Shape-shifting metal motor has a variety of uses)”；路透社也对此进行了专门报道。 众多报道此项工作的科学杂志或专业网站还有，物理学家组织网站：“可在液体中自行驱动的可变形液态金属(Shape shifting liquid metal able to propel itself through liquids)”；化学和工程新闻C&EN：“旋转的液态金属马达(Rolling Out Liquid-Metal Motors)”；Uncover California：“世界首个液态金属机器人(World's First Liquid Metal Robot)”；Siliconrepublic：“首个终结者型液态马达问世，具无限潜力(First Terminator-1000-like liquid motor developed with unlimited potential)”；镜报mirror：“真实的终结者1000液态金属马达(real-life-t-1000-liquid-metal-motor)”；Popular Science：“终结者智能液态金属或为新一轮军备竞赛的第一步(Terminator-Like ‘Smart Liquid Metal'May Be The First Step In A New Arms Race)”；Space Daily等：“液态金属机器人几乎已在这儿，并且他们由中国制造(Liquid Metal Robots Are Almost Here and They Are Made in China)”；Popular Mechanics：“终结者1000机器人或许就由这种自主行走的液态金属制成(The T-1000 Is Probably Made of This Liquid Metal That Moves Itself)”；更多网站则纷纷展望了这一开创性技术在机器人、药物递送、血管和环境监测等方面的应用前景，认为“机器人工业正迈向不可思议的突破(The Robotics Industry Is on the Verge of an Incredible Breakthrough)”，“显然是巨大的第一步(certainly a huge first step)”，“这是许多潜在商业用途的源泉，对于世界各国的工业界和政府会有巨大的兴趣(That’s where the potential commercial uses come in, which should be of huge interest to industry and governments around the world)”。 大家都看过《终结者 2》，里头的大反派 T-1000 液态金属机器人那几乎不死的能力让人不寒而栗 据初步统计，文章发表两周左右即已有数百个科学或专业网站对此进行了评介和转载，说明了本项研究工作的影响。 自驱动液态金属机器的问世引申出了全新的可变形机器概念，将显著提速柔性智能机器的研制进程。当前，全球围绕先进机器人的研发活动正处于如火如荼的阶段，若能充分发挥液态金属所展示出的各种巨大潜力，并结合相关技术，将引发诸多超越传统的机器变革。刘静小组关于液态金属自驱动效应和相应机器形态的发现，为今后发展高级的柔性智能机器人技术开辟了全新途径，具有十分重要的科学意义和实际应用价值。 |
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2015-03-27 19:00:28, 1.13 M
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谈谈“世界首个自主运动可变形液态金属机器谈谈“世界首个自主运动可变形液态金属机器” 精选 已有 3133 次阅读 2015-3-27 14:12 |个人分类:察见渊鱼者不祥|系统分类:科普集锦 此文来自科学网姬扬博客 愿乘长风破万里浪 这两天比较热的一条科学新闻是，世界首台自主运动可变形液态金属机器[1-2]，许多媒体似乎在暗示，机器人研究有了巨大进展，甚至可以考虑《终结者III》里面那位能够干掉施瓦辛格的美女机器人了： 研究揭示，置于电解液中的镓基液态合金可通过“摄入”铝作为食物或燃料提供能量，实现高速、高效的长时运转，一小片铝即可驱动直径约5 mm的液态金属球实现长达1个多小时的持续运动，速度高达5cm/s。这种柔性机器既可在自由空间运动，又能于各种结构槽道中蜿蜒前行；令人惊讶的是，它还可随沿程槽道的宽窄自行作出变形调整，遇到拐弯时则有所停顿，好似略作思索后继续行进，整个过程仿佛科幻电影中的终结者机器人现身一般。 我很是为施瓦辛格担心，所以就上网查了查，得到了这么一些信息。液态金属很少，我们最熟悉的就是水银（汞）了。其他的液态金属包括：一些碱金属元素的熔点在室温附近，再有就是镓（Ga）了；一些合金在室温下也是液态，例如，钠钾合金、镓铟锡合金（Galinstan）以及一些汞合金。 这条新闻里提到的科学工作采用的就是镓铟锡合金（Galinstan），它是由适当比例的镓、铟、锡混合而成的。镓的熔点是29.78℃，铟是156.61℃，而锡是231.9℃，但神奇的是，它们的合金熔点可以达到零下19℃。适当地调节组分比例，还可以调整熔点的高低。这东西好像并不贵、做起来似乎也不难：原材料的成本不超过每克几块钱，用个坩埚把几种金属烧烧、熔化到一起就行了，几年前有个网友就描述了自己的制备过程[3]。 可变形液态金属机器的新闻讲得很神奇，可是看不出这件事到底是怎么做的，我就又查了查，大致搞清楚了。 实验是这么做的：拿个小液滴放在容器里。液滴大概有一两毫米吧，反正不很大就是了。这东西既然是液体，自然就可以变形。表面张力可能比较大，所以液滴就不容易破裂。把它放在容器里，容器里面是NaOH溶液，再拿个镊子把一小片铝条粘到液滴的后面，过几分钟，液滴就可以往前跑了。大概每秒钟几毫米的速度，可以跑上一两个小时。 跑步的原因是这样的：金属铝能够和NaOH发生反应，产生氢气[4]，产生的氢气起初附着在金属上，形成气泡，气泡越来越大，就会破裂，引起水的振动，水波就推动液滴前行了。铝片可以附着在液滴上，但不会被液滴吞没，总能保持与NaOH接触，发生反应。铝的化学活性很强，所以很容易反应，铝片外面通常有一层致密的氧化膜，但凑巧的是，氧化铝也可以和NaOH反应[5]，所以很容易去除。当然，金属液滴应该是不和NaOH发生反应的，至少是反应速度非常慢。因为只有液滴后部产生气泡，所以，液滴就往前跑了，一直可以跑到铝片用完了。显然，溶液不一定要用NaOH， 换上盐酸大概也可以的。跑动的速度依赖于溶液的浓度，氢气产生的越快，跑得也就越快。实际上也不一定要用氢气，你要是不嫌麻烦，自己拿个管子在液滴后面吹泡泡，液滴也肯定会往前跑的——不过这就不能算是自主运动了，只能算是人工辅助的空气动力了。 作者们似乎认为还有一个动力机制：不同金属接触时会产生电势差，也就是电场，这个电场会改变溶液的表面张力，从而导致液滴运动。我认为这个贡献相对于气泡推力来说应该是微乎其微的，但是他们把这个因素排在了前面。 好了，这就是世界首台自主运动可变形液态金属机器。这让我想起中学时老师演示的化学实验，拿出一小块金属钠放在水面上，它就会疯了一样地到处跑，这是因为钠可以和水发生剧烈的化学反应。如果那时候的化学老师有些钱，用得起金属铯，然后又肯不辞辛苦地在夏天大太阳底下做实验的话，世界首台自主运动可变形液态金属机器也许就可以早诞生几十年了。 是的，这是个很大的进步，但是，现在我们至少还可以喘口气、略微放心些了：那位可以干掉施瓦辛格的终结者三代、液体机器人美女杀手，大概还要在实验室里多呆些时候了。 [1] 中国研发出世界首个自主运动可变形液态金属机器 http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2015/3/315779.shtm [2] 中科院与清华联合研制出世界首台自主运动可变形液态金属机器 http://www.guancha.cn/Science/2015_03_25_313573.shtml [3] 镓铟锡合金的制备 http://tieba.baidu.com/p/2619911232 下面引用这个帖子的说法： 我最早从《视觉之旅：神奇的化学元素2》一书中看到了galinstan的配方:68.5%的镓，21.5％的铟和10％的锡，随即萌生了制备该合金的想法。 至此，可以整理一下制备法的程序： 混合铟和锡，开始加热 用搅拌棒试探一下，确认铟和锡熔化 加入固体镓 第一次搅拌 关火，二次搅拌，制备完成 这种方法也适用于镓铟合金的制作，与固熔法相比，混合得更充分，均匀。 [4] 2Al + 2NaOH + 6H2O = 2 Na[Al(OH)4] + 3H2↑ [5] Al2O3+2NaOH = 2NaAlO2+H2O 本文引用地址：http://blog.sciencenet.cn/blog-1319915-877689.html 此文来自科学网姬扬博客，转载请注明出处。 上一篇：奥森公园10公里，76分钟 更多 收藏分享举报 当前推荐数：30 推荐人： 陈楷翰 袁海涛 王天燕 赵建民 赵美娣 陈学雷 吴飞鹏 李建国 沈律 王春艳 武夷山 郑洋 黄永义 刘全慧 李毅伟 孙学军 戴德昌 杨正瓴 张江敏 刘洋 魏焱明 张骥 肖传国 孙长庆 张培昆 刘波 xuexiyanjiu zhxsupper sdwsqiang minjialun |
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