液态金属机器问世 真的要在现实中制造“终结者”？_3DM单机

液态金属机器问世 真的要在现实中制造“终结者”？

近日，清华大学医学院生物医学工程系刘静教授小组联合中国科学院理化技术研究所，在《先进材料》(Advanced Materials)上发表了题为“仿生型自驱动液态金属软体动物”(Self-Fueled Biomimetic Liquid Metal Mollusk, 2015)的论文，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，在国际上引起广泛反响和热议。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。

液态金属机器问世 真的要在现实中制造“终结者”？

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。

液态金属机器问世 真的要在现实中制造“终结者”？

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。

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)”。

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。

在去年发现电控可变形液态金属后，清华医学院和中科院理化技术研究所近日又取得新突破，研制出完全摆脱外部电力，可以自主运动的液态金属机器，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。许多国外科技网站也纷纷展望了这一技术在机器人、药物递送、血管和环境监测等方面的应用前景，更有外媒指出“液态金属机器人几乎已在这儿，并且他们由中国制造”。那么问题来了，这项技术到底有多“高大上”呢?

液态金属机器有智能吗?

据报道，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。

此种自主型液态金属机器的动力机制来自两方面：一方面发生在液态合金、金属燃料及电解液间的伽伐尼电池效应(原电池效应)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;另一方面，上述电化学反应过程中产生的氢气也进一步提升了推力。

所谓伽伐尼电池效应(原电池效应)，就是利用金属的氧化还原也就是得失电子的难易程度将两种金属置于其中一种金属(易失电子，还原性强)的离子溶液中，使其阴极失电子，阳极得电子的效应。用两种不同的金属，插进同一个水果(土豆)里，就能够产生电力，因为这其实构成了一个原电池。

所以，这种液态金属机器本质上还是机械运动，通过将化学能转化为电能后的驱动作用，产生了接近生物行为的仿生效果。

液态金属机器还有哪些应用?

在自然界，实现能在不同形态之间自由转换的可变形柔性机器，以执行常规技术难以完成的更为特殊高级的任务，是科学界与工程界长久以来的梦想，相应研究在军事、民用、医疗与科学探索中极具重大理论意义和应用前景。比如，在抗震救灾或军事行动中，此类机器人应能根据需要适时变形，以穿过狭小的通道、门缝乃至散布于建筑物中的空隙，之后再重新恢复原形并继续执行任务。

在医学实践中，研制可沿血管包括人体自然腔道运动，以承担各种在体医学服务的柔性机器人，早已成为非常现实的科学目标。显然，在最为高级的机器人中，具备可变形性和柔性特征是极为关键的一环。美国国防先进技术研究署(DARPA)、军队研究办公署(US Army Research Office)等就曾为此资助了有关探索，旨在寻找可改变材料形状的技术，以构建出对应的机器人设计蓝图。业界普遍认为，一旦这样的技术得以实现，其对人类活动所作出的贡献，将远远超过现有的机器人。不过，由于受到来自材料特别是技术理念的限制，有关研究尚处于积极的推进之中。

当前，机器人普遍作为一种刚体机器发挥作用，这与自然界中人或动物有着平滑柔软的外表以及无缝连接方式完全不同。柔性机器作为新的发展前沿，已促成多类型机器人的发明，但离理想中的高级机器所应拥有的柔软和普适变形能力还有很大距离。回顾以往人类所构想过的各种先进机器雏形，最让人印象深刻者莫过于美国好莱坞影片《终结者》中始终不能被击败的液态金属机器人，这种可以改变外表形状，呈现各种造型，未来色彩极为浓厚的机器，虽纯属科学幻想，却使人类对机器人的概念有了重大改变。

用来控制目标流体或传感器的定向运动已趋现实

刘静小组的发现，已打开了一系列已趋现实的应用范畴，如制造柔性执行器，控制目标流体或传感器的定向运动、金属液体回收，以及用作微流体阀、泵或更多人工机器等。