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小机器人液化后成功“越狱”,科研灵感来源是海参

来源:科技日报  

科技日报实习记者 苏菁菁

快看!这个小机器人先由固态变为液态,在磁场的引导下,穿过了“牢笼”。

磁控机器人通过液化、穿过栏杆并使用放置在栏杆外的模具重新凝固来逃离牢笼。


(相关资料图)

接下来,这摊“液体”通过放置在栏杆外的模具重新凝固,从液态又转变为固态,最终小机器人成功“越狱”。

这不禁让人联想到《终结者》中的液体机器人,它的身体部位随意变形武器,战斗力惊人。

这充满科幻色彩的一幕,出现在中美科学家联合提出“磁控固-液相变材料”的实验中。原来,该材料可以在交变磁场的作用下对固态的金属加热,使之变成液态,之后也可以通过冷却,使金属再由液态转为固态。这一研究发表至国际期刊的《Cell》旗下子刊《Matter》,由中山大学广东省传感技术与生物医疗仪器重点实验室、浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室、卡耐基梅隆大学软体机器人实验室合作完成。

灵感来源:终结者与海参

中山大学教授蒋乐伦是这一论文的通讯作者之一,他告诉科技日报记者,这次工作的灵感来源于两个方面:一是电影《终结者》,二则是动物海参。

“《终结者》中的液态金属机器人的手,可以在固液切换后,之后变成一把刀,同时,机器人还可以变成液态后越狱。这是我们的灵感来源之一。”蒋乐伦说。

“作为科研工作者,在进行一些原创性的工作时,需要一些灵感。像很多科幻片与科幻小说中,有很多非常有趣、天马行空的创意与想法,这些想法能够给我们启发,我们也希望能实现科幻作品中的功能,拓展相应的技术与能力。”蒋乐伦说。

蒋乐伦告诉科技日报记者,海参是非常有趣的动物,可以通过外界刺激来改变自己的硬度。

灵感是海参。

“海参通过改变富含蛋白的原纤维间基质的硬度,来改变体壁外形。”蒋乐伦说,“这与我们人体的肌肉相似。比如,人在紧张状态下,肌肉会变硬变紧,在放松状态下,肌肉也会很软。海参也是一样。”

基于此,团队提出了磁控的固态和液态相互切换相变材料。这一材料不仅具有固态金属的硬度与承载力,还有液态金属的形变能力。

固态时刚度强 液态时可形变

液态金属一般是低熔点的金属。据蒋乐伦介绍,液态金属在30摄氏度以上是液体,而30摄氏度以下是固体,这与人类生存的温度相符。

为了充分利用液态金属在特定条件下固-液切换的特性,研究团队将磁性颗粒混合融入液态金属——镓中。通过高频的磁场加热这一金属后,该金属会由原先的固态转变为液态。转变为液态后,又可以通过半导体制冷(珀耳帖效应)或者自然冷却来对金属进行降温,从而使之由液态变为固体。

此外,加入磁性颗粒后,施加的外部磁场还可以用来引导液态金属移动和转动,变形等。

据了解,这一磁控的固-液相变材料,在固态时有较高的刚度,而在液态下可以像水一样。“固态时,金属有很强的刚度,能够承担较大的重量,还能够快速运动;而液态的金属可以流动、分裂或融合,具有较强的形态适应性。因此,我们的研究结合了固态与液态情况下金属的优势。”蒋乐伦说。

在研究过程中,从如何让金属快速冷却,到如何使材料具有生物相容性,以此拓展材料的应用场景,团队遇到了很多挑战。“最终通过配方的不断调整、细化,我们实现了较快的冷却,也有望未来在人体中应用。”蒋乐伦说。

修复螺钉与电路 进入人体取异物

据蒋乐伦介绍,磁控固-液相变材料在未来有三个方面的应用。

“一是电子电路的修复。”蒋乐伦说,“在磁场环境下,相变机器人可推动电子元器件到封闭不可操作的空间,通过加热之后由固态变成液态,来焊接这些电子元器件,从而修复电路。”蒋乐伦说。

二是零部件的组装。固态机器人由磁场引导,抵达至损坏的位置,通过交变磁场加热液化变形为万能的螺钉,之后对两个零部件进行固定,完成零部件的组装。

三是生物医学上的应用。“例如,儿童吃了一些异物之后,我们可以通过磁控固液相变材料,液化后抓取,固化后将异物提取出来。”蒋乐伦说,“此外,这种相变材料还可以在固态下封装药物,液化后定点可控释放药物。”

在液体环境中,磁控机器人清除异物(绿色圆球)。

(中山大学供图)

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