?

海洋鳥類漂泊信天翁可以連續(xù)飛行幾十天而不休息，飛行里程近15000公里；陸地上奔跑最快的動(dòng)物之一獵豹，捕獵時(shí)最快速度能達(dá)到29m/s（104.4km/h），接近汽車在高速公路上飛速行駛的速度……自然界中動(dòng)物特異的運(yùn)動(dòng)能力很大程度上得益于他們卓越的肌肉性能。受肌肉出色性能的吸引，人們對(duì)研制能夠模仿肌肉運(yùn)動(dòng)如伸縮、旋轉(zhuǎn)、彎曲等的人工肌肉越來(lái)越感興趣。新興的基于介電彈性體、刺激-響應(yīng)聚合物、形狀記憶合金（SMA）以及碳基復(fù)合物等材料的人工肌肉雖然相比于傳統(tǒng)電氣、液壓、氣壓驅(qū)動(dòng)器具有體積輕小、結(jié)構(gòu)緊湊、價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)，但其需要高驅(qū)動(dòng)電壓、應(yīng)變小、響應(yīng)慢等缺陷嚴(yán)重限制了它們的應(yīng)用。

近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院張世武教授、金虎副研究員聯(lián)合英國(guó)伯明翰大學(xué)唐詩(shī)楊博士、澳大利亞伍倫貢大學(xué)李衛(wèi)華教授、蘇州大學(xué)李相鵬教授以及美國(guó)北卡羅來(lái)納州立大學(xué)Michael Dickey教授組成的研究組提出了一種基于電化學(xué)方法改變液態(tài)金屬表面張力的液態(tài)金屬人工肌肉（LMAM）來(lái)模仿肌肉的收縮及舒張功能。LMAM能在不同pH溶液（0-14）中工作，最大伸展速度達(dá)到15mm/s，最大應(yīng)變達(dá)到87%，另外，這種人工肌肉所需的驅(qū)動(dòng)電壓極小，舒張時(shí)驅(qū)動(dòng)電壓僅需0.5V，收縮時(shí)僅需4V。該項(xiàng)工作有望為柔性驅(qū)動(dòng)器在微機(jī)電系統(tǒng)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用提供全新思路。相關(guān)成果以“A Liquid Metal Artificial Muscle”為題發(fā)表在 Advanced Materials上。

近年來(lái)，鎵基液態(tài)金屬由于其卓越的物化特性成為一大研究熱點(diǎn)。鎵基液態(tài)金屬兼具液體和固體的一些特性，包括高電導(dǎo)/熱導(dǎo)率，良好的柔性，毒性極低且不易揮發(fā)。此外，鎵基液態(tài)金屬極易被氧化形成表面氧化膜，未被氧化時(shí)，液態(tài)金屬具有目前已知液體中最大的表面張力（>600mN/m），氧化后，液態(tài)金屬的表面張力可降至接近0。聯(lián)合研究組利用電化學(xué)方法快速、可逆地實(shí)現(xiàn)這兩種狀態(tài)的切換（圖1a - c），同時(shí)，研究組通過(guò)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，構(gòu)造液橋，將液態(tài)金屬液滴狀態(tài)切換過(guò)程中的形態(tài)變化轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)行程及驅(qū)動(dòng)力。如圖1d所示，液滴上下兩端布置銅電極，其不僅為液滴提供氧化/還原電壓，銅和液態(tài)金屬優(yōu)異的潤(rùn)濕性還使得液滴能被錨定在銅片上。液態(tài)金屬液滴在上下銅電極之間形成液橋，電極提供氧化電壓時(shí)（+4V），液滴從近球狀變成扁平泥狀，液橋?qū)ι匣椎淖饔昧ο蛳?，液橋高度降低，人工肌肉“收縮”；電極提供還原電壓時(shí)（-0.5V），液滴從扁平泥狀恢復(fù)成近球狀，液橋?qū)ι匣椎淖饔昧ο蛏?，液橋恢?fù)初始高度，人工肌肉“舒張”。在0.25Hz電壓（4V到-0.5V）驅(qū)動(dòng)下，人工肌肉能提供約20mN的拉力，40mN的推力，超過(guò)1mm的驅(qū)動(dòng)行程（圖1i）。

圖1 液態(tài)金屬人工肌肉的驅(qū)動(dòng)

研究人員隨后通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)參數(shù)優(yōu)化、驅(qū)動(dòng)單元的串并聯(lián)提升人工肌肉的性能。為了驗(yàn)證LMAM良好的驅(qū)動(dòng)性能和應(yīng)用潛力，研究展示了LMAM在編碼顯示、貨物運(yùn)載、可重構(gòu)光學(xué)器件中的應(yīng)用。研究人員還基于LMAM驅(qū)動(dòng)開發(fā)了一種自主游動(dòng)（untethered）的單尾鰭仿生機(jī)器魚（圖2）。尾鰭一端的兩側(cè)對(duì)稱布置有兩個(gè)LMAM驅(qū)動(dòng)單元，兩個(gè)單元的異步收縮-舒張驅(qū)動(dòng)尾鰭連續(xù)擺動(dòng)（圖2b），從而驅(qū)動(dòng)機(jī)器魚向前游動(dòng)。機(jī)器魚僅由一節(jié)3.7V（80mAh）鋰電池供電，驅(qū)動(dòng)信號(hào)由內(nèi)載MCU調(diào)制，在2Hz電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)下，機(jī)器魚游動(dòng)速度能達(dá)到10cm/min，續(xù)航時(shí)間達(dá)40min。

圖2 基于液態(tài)金屬人工肌肉的仿生機(jī)器魚

該研究證實(shí)了基于液態(tài)金屬液滴的柔性驅(qū)動(dòng)器在低輸入電壓下具備卓越的驅(qū)動(dòng)性能，為未來(lái)開發(fā)基于低功率驅(qū)動(dòng)器機(jī)器人系統(tǒng)鋪平了道路。工程科學(xué)學(xué)院博士研究生舒健、葛杜安、王二龍為論文共同第一作者，工程科學(xué)學(xué)院張世武教授、金虎副研究員，以及英國(guó)伯明翰大學(xué)唐詩(shī)楊博士為論文共同通訊作者。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目資助與支持。

近日，聯(lián)合研究組還提出了一種通用的光誘導(dǎo)液態(tài)金屬液滴驅(qū)動(dòng)方案：使用激光束選擇性地激活電解液中的光電晶體管，從而利用馬拉格尼力（Marangoni force）實(shí)現(xiàn)對(duì)液態(tài)金屬液滴的電驅(qū)控制（圖3）。該方案無(wú)需復(fù)雜和龐大的系統(tǒng)，簡(jiǎn)單利用光即可誘導(dǎo)多個(gè)液態(tài)金屬液滴的并發(fā)運(yùn)動(dòng)、分裂和合并，研究人員也展示了其在光控繼電器等方面的應(yīng)用。這種用于操縱LM液滴的光誘導(dǎo)控制方法為在MEMS、現(xiàn)場(chǎng)可編程機(jī)器人和基于液滴的液體協(xié)作機(jī)器人領(lǐng)域的未來(lái)創(chuàng)新研究提供了新的方向和技術(shù)途徑。相關(guān)成果以標(biāo)題為“Light-controlled versatile manipulation of liquid metal droplets: a gateway to future liquid robots” 發(fā)表在Materials Horizons上，并被選為封底文章。

圖3 光誘導(dǎo)液態(tài)金屬液滴驅(qū)動(dòng) （a）光誘導(dǎo)液態(tài)金屬驅(qū)動(dòng)裝置；（b）光誘導(dǎo)液態(tài)金屬液滴沿特定圖案運(yùn)動(dòng)；（c）和（d）光誘導(dǎo)液態(tài)金屬驅(qū)動(dòng)小車

此外，聯(lián)合研究組還基于液態(tài)金屬的電致驅(qū)動(dòng)成功研制了一種無(wú)需任何常規(guī)電磁器件的液態(tài)金屬電機(jī)（圖4a），該電機(jī)利用電場(chǎng)在液態(tài)金屬液滴兩側(cè)形成表面張力差，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，輸出力矩；為了克服傳統(tǒng)固-固接觸電刷摩擦力大，磨損消耗快，產(chǎn)生火花造成安全隱患等缺陷，研究人員還利用液態(tài)金屬優(yōu)異的導(dǎo)電性和較低的粘度，設(shè)計(jì)了一種固-液接觸的液態(tài)金屬電刷，該電刷能避免導(dǎo)線纏繞，有效保證電路連通，同時(shí)，其轉(zhuǎn)動(dòng)阻力比常規(guī)電刷小一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)。研究人員還展示了利用該電機(jī)驅(qū)動(dòng)小車和小船分別在陸地和水中運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用（圖4b , c）。該項(xiàng)工作有望彌補(bǔ)傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器件的缺陷，啟發(fā)液態(tài)金屬在柔性機(jī)器人、微機(jī)電系統(tǒng)、柔性電子等領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。相關(guān)成果以 “Liquid Metal Motor”為題發(fā)表在Cell子刊 iScience上，并被Matter期刊作 Preview介紹。

圖4 液態(tài)金屬電機(jī)（a）液態(tài)金屬電機(jī)結(jié)構(gòu)圖；（b）和（c）液態(tài)金屬電機(jī)驅(qū)動(dòng)的小車和小船；

AM文章鏈接：

MH文章鏈接：

iScience文章鏈接：

（工程科學(xué)學(xué)院、科研部）