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现代科技工业新材料

液态金属是指一种不定型金属,液态金属可看作由正离子流体和自由电子气组成的混合物。液态金属也是一种不定型、可流动液体的金属。液态金属可看作由正离子流体和自由电子气组成的混合物。自由电子受到"赝原子"(它由正离子和起屏蔽作用的自由电子云组成)的很弱的势作用。两个正离子间,除了直接的静电排斥势外,还有一种间接的通过自由电子气而相互作用的势,上述两种势的叠加称为原子-原子的有效势(r)。液态金属具有可在不同形态和运动模式之间转换的普适变形能力。比如,浸没于水中的液态金属对象可在低电压作用下呈现出大尺度变形、自旋、定向运动,乃至发生液球之间的自动融合、断裂-再合并等行为,且不受液态金属对象大小的限制;较为独特的是,一块很大的金属液膜可在数秒内即收缩为单颗金属液球,变形过程十分快速,而表面积改变幅度可高达上千倍;此外,在外电场作用下,大量彼此分离的金属液球可发生相互粘连及合并,直至融合成单一的液态金属球;依据于电场控制,液态金属极易实现高速的自旋运动,并在周围水体中诱发出同样处于快速旋转状态下的漩涡对;若适当调整电极和流道,还可将液态金属的运动方式转为单一的快速定向移动。研究表明,造成这些变形与运动的机制之一在于液态金属与水体交界面上的双电层效应。这些超越常规的物体构象转换能力很难通过传统的刚性材料或流体介质实现,它们事实上成为用以构筑可变形智能机器的基本要素,为可变形体特别是液体机器的设计和制造开辟了全新途径。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。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。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,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。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。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。清华大学刘静教授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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2019年03月11日 22:24
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