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丽莎老师讲机器人之清华中科院突破密度结界，首创轻质液体金属

25 Apr 2020

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丽莎老师讲机器人之清华中科院突破密度结界，首创轻质液体金属欢迎收听丽莎老师讲机器人，想要孩子参加机器人竞赛、创意编程、创客竞赛的辅导，找丽莎老师！欢迎添加微信号：153 5359 2068，或搜索钉钉群：31532843。电影《终结者》系列，为我们展示了一种由液态金属组成的强大机器人：以 “终结者 T-X 型” 为代表，它们拥有着超强的塑形功能，能够随意变化外形，并且能快速恢复原貌。在现实生活中，影片里的液态金属机器人仍未诞生，但作为一种神奇的材料，液态金属因其优秀的可塑性也被认为是取代传统电子行业中硬质材料的新星。而且，这项技术也与一些听起来就十分新潮的科技应用息息相关，例如可穿戴电子的电路、可穿戴外骨骼的构建以及柔性机器人等。那么，液态金属的研发如今走到了哪一步？最近一项由清华大学和中科院理化所团队团队提出“轻质液态金属” 概念，并发明了一种前所未有的轻质量液态金属材料。研究中所展示的液态金属材料，在许多方面甚至优于 “材料之王” 石墨烯。根据需要，轻质液态金属可以与其他物质相混合，从而赋予更多目标功能。总体上，液态金属以一种材料形式同时将许多尖端材料的功能集于一体（电、磁、声、光、热、机械、流体、化学），这是比较独特的。研究中已展示的轻质液态金属，具备了许多功能，比如高导电性、磁性、可变形、可组装叠加、高导热性、可在液态和固态之间灵活转换特性等。这些是有机物不易具备之处，也大多不是石墨烯的特性。石墨烯由于不易变成液体，这使其在许多场合上的应用不及液态金属，比如作为电子墨水、3D 打印材料、注射骨骼、外骨骼、机器人”。突破密度“结界”说起液态金属大家应该不会陌生，例如水银，就是许多人最熟悉的常温下呈现液态的金属了。水银也因为它的流动性和热学特性才广泛使用于温度计和血压计中。不过，诸如水银这样的液态金属，对于环境和人体健康有较大的损害，这大大限制了它的应用范围。而且，一般金属的密度都比较大，如果在产品中加入大量的液态金属可能会使得产品难以携带，这也成为液态金属不便应用的一个瓶颈。所以，科学家们一直渴望的完美的液态金属，应当可塑性高，对环境无害，并且密度很轻。这样一种近似 “完美” 的液态金属正在离我们越来越近。在这次的团队研究成果中，一种以镓铟共晶合金（Eutectic Galliumindium Alloys）为基础并加入了特殊物质和结构的液态金属，其密度可调范围为 0.448~2.010 立方厘米每克g/cm3，甚至比水的密度还低。而且不同于水银，镓铟共晶合金具有良好的生物安全性。该材料的制造过程没有污染，包括液态合金制备、空心玻璃微珠以及各种功能物的加载等，相应材料有很多选项，且本文方法是基础底层方法，可扩展到较广范畴。”更神奇的是，在温度调节下该材料能保持良好的材料一致性和导电性，并可在完全柔软和坚硬的状态之间自由切换。但是，从本质上来说，镓铟共晶合金还是金属合金，文中通过将质量百分比分别为 75.5% 的镓和 24.5% 铟均匀混合后在 150℃中搅拌 12 小时制成，密度大约为 6.5g/cm3，其实还远远称不上轻盈。如果要将密度降低到比水还轻，意味着要减小 70% 左右，而这样的做法是前无古人的。研究团队此时引入了一种神奇的材料——空心玻璃微珠，这是一种具有中间镂空结构的超轻材料，例如文中提到的 “K1” 型空心玻璃微珠，密度为 0.125g/cm3。由于有空心的结构存在，这种材料与镓铟共晶合金结合之后能有效地减小材料的密度，并且通过调整两种材料的占比，就能调节整体的密度。制成的材料名为“空心玻璃微珠 - 镓铟共晶合金”，简称为“GB-eGaIn”，十分轻盈，甚至能够像露珠一样停留在叶面之上。基于如此思路合成的空心玻璃微珠 - 镓铟共晶合金GB-eGaIn，还具有优秀的可塑性及可重构性，可以先合成平面材料，然后经过类似 “折纸” 的操作，制作想要的结构。除此之外，空心玻璃微珠 - 镓铟共晶合金GB-eGaIn 还能利用模具制作复杂的三维结构，支持“多次开发”开创性地提出了加入空心玻璃微珠制作符合液态金属材料的思路之后，功能化液态金属材料的大门也得以打开。除了制作复杂结构，研究团队就发现，通过对轻质液态金属材料进行再加工，例如添加一些有特殊性质的材料（磁性材料等），还可以赋予液态金属更多的功能性。添加磁性材料的简单应用，利用磁性材料可以控制空心玻璃微珠 - 镓铟共晶合金 GB-eGaIn 在水中的浮沉以及定向运动。未来的研究方向可能为在空心玻璃微珠的空心结构中加入磁性、电学特性等功能材料，能够大大地增加液态金属功能性。“空心玻璃微珠 - 镓铟共晶合金Glass Bubbles 可做成真空，厚薄度及尺寸等可调，沿此路线，甚至可实现能漂浮于空气中的轻质液态金属，这会打开许多应用的想象空间。本文展示的液态金属物密度已覆盖较大范围，从水的几分之一到数倍。实际上，除了空心玻璃微珠 - 镓铟共晶合金 Glass Bubbles 外，各种各样的外来物均可加载到液态金属中形成轻质材料，比如塑料、木材、轻金属以及磁性、光学材料等等。本文方法开启了一个研制轻质液态金属的方向和应用。”功能性材料最终的目的还是落在实际应用层面。这种轻质液态金属材料，制程以及材料本身对于环境的影响也不大，在应用层面来说应当是前途无限的。关于应用层面，研究人员提出一些十分有趣的方向（1）可变形柔性机器人（类似于科幻电影《终结者》机器人）；（2）用于单兵保护的可在固态和液态之间切换的刚柔相济型轻质外骨骼（类似于科幻电影《阿丽塔》《钢铁侠》中的皮肤）；（3）可注射骨骼，用于人体受损骨骼包括牙齿等的快速修复（类似于科幻电影《金刚狼》）；（4）轻质舒适型可穿戴电子；（5）类似于潜艇那样的可在海水中上浮下沉的柔性机器人；（6）空中航行执行任务的可变形飞行器在工业应用方面仍有需要攻克的技术难题，例如：1、制成材料的质量和均匀性、稳定性；2、成品材料多次重复使用的均匀性、可靠性；3. 特定性能的保障，如电学特性、磁性、固化后强度、刚度等；4. 与外界调控单元的结合比如刚柔相济型人体外骨骼系统研制等难题。“这些难题均需要通过从底层材料、加载物以及制备工艺、应用系统等多个环节加以保障，甚至针对特定应用包括生物医学应用场合，还需考察更多如生物相容性问题等等，这中间衍生出不少基础科学及应用问题有待进一步开展”尽管现阶段，类似科幻电影中液态金属应用的实现仍有距离，但现在，至少我们又拥有了一个新的可能性的开始。

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