近期，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所與清華大學(xué)聯(lián)合研究小組在《科學(xué)報告》（Zhang et al., Scientific Reports, 2014）上報道了首次發(fā)現(xiàn)的旨在實現(xiàn)液態(tài)金屬物體大尺度可逆變形的化學(xué)-電學(xué)協(xié)同控制機制SCHEME (Synthetically Chemical-Electrical Mechanism)。這是該小組繼發(fā)現(xiàn)可變形液態(tài)金屬基本現(xiàn)象(Sheng et al., Advanced Materials, 2014, 封面文章)之后的又一重要發(fā)現(xiàn)。相比于此前的單一性電學(xué)控制，SCHEME方法成功實現(xiàn)了液態(tài)金屬材料的大尺度可逆變形，使得向柔性智能機器的研制又邁進(jìn)了關(guān)鍵一步。

在這篇題為Synthetically chemical-electrical mechanism for controlling large scale reversible deformation of liquid metal objects (《通過化學(xué)-電學(xué)協(xié)同機制控制液態(tài)金屬物體的大尺度可逆變形》)的研究論文中，作者們引入了酸、堿類電解質(zhì)溶液，揭示了結(jié)合電場控制下的液態(tài)金屬鎵在球體和非球體之間的各種可逆轉(zhuǎn)換行為，探明了其中的SCHEME機制及影響因素。研究表明，由于純鎵表面張力極大（約700mN/m），意味著可在平坦表面上保持球體形態(tài)；而氧化鎵表面張力則趨近于0，因而可因重力和電學(xué)的雙重作用而沿水平方向大幅展開。在酸或堿類電解液中，通過加電作用，鎵球表面會迅速產(chǎn)生一層氧化鎵薄膜，這使其表面張力發(fā)生突降，由此實現(xiàn)展開乃至分裂效應(yīng)；一旦切斷電壓，之前形成的氧化鎵層隨即被電解液溶解，從而將純鎵再度暴露于化學(xué)溶液中，液態(tài)金屬物體的表面張力于是自動恢復(fù)，變形體隨即收縮成最初的球體形狀，分裂的液態(tài)金屬則自動融合。如此，通過變換電壓大小和電解液濃度，可以調(diào)控液態(tài)金屬鎵的表面張力，進(jìn)而實現(xiàn)對應(yīng)的變形和離散幅度，這些基礎(chǔ)發(fā)現(xiàn)為研制液態(tài)金屬類柔性機器提供了關(guān)鍵技術(shù)支持。

研究還揭示出，在通電過程中若同時改變電極位置，則液態(tài)金屬會朝向電極生長和移動。該小組今年年初的研究曾表明，雖然通過單一的電場控制（如溶液為純水情況），也可借助電極極性的切換（對應(yīng)液態(tài)金屬表面氧化、還原反應(yīng)過程）實現(xiàn)可逆變形，但變形幅度偏弱。與此不同的是，基于SCHEME機制的液態(tài)金屬則在響應(yīng)速度和變形幅度上展示出顯著優(yōu)勢。此外，若調(diào)整電場的時空特性如采用正弦電壓供電，還易于實現(xiàn)類似于心臟搏動那樣的液態(tài)金屬往復(fù)式可逆變形行為，已可直接作為泵來使用；而借助電極響應(yīng)，還能制作出對應(yīng)的閥。系列實驗也表明，這些變形并不僅限于單質(zhì)液態(tài)金屬鎵，二元、三元乃至更復(fù)雜組分合金如鎵銦、鎵銦錫、鎵銦錫鋅等也易于呈現(xiàn)對應(yīng)的可逆變形行為，而單質(zhì)金屬試驗可更清晰地揭示其中最根本的SCHEME機制。從技術(shù)角度而言，若借助電腦編程來調(diào)控電壓大小與供電方式、電極間距與排列組合方式、液態(tài)金屬體積及流道材料與形狀，乃至電解質(zhì)溶液類型與濃度等，則可以獲得千奇百怪的變形行為，這在很大程度上印證了科幻電影《終結(jié)者》中所演繹的那種液態(tài)金屬機器人的超級變形能力。上述系列液態(tài)金屬可逆變形效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)有重要的科學(xué)意義和實用價值，首次系統(tǒng)地闡明了通過多場效應(yīng)的協(xié)同作用機制，可精確調(diào)節(jié)液態(tài)金屬的表面張力繼而實現(xiàn)靈巧操控，由此奠定了實現(xiàn)大尺度可逆變形液態(tài)金屬物體的理論基礎(chǔ)，將大大加速柔性智能機器的研制進(jìn)程。

當(dāng)前，軟體機器人作為新一代機器類型，相應(yīng)研究正處于如火如荼的起步階段，尋找其中的活性物質(zhì)和控制機制至為關(guān)鍵。液態(tài)金屬作為一大類全新功能材料，在通向高性能柔性執(zhí)行器的道路上已表現(xiàn)出內(nèi)在優(yōu)勢。以上液態(tài)金屬可逆、可控變形效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，特別是對SCHEME機制的闡明，為今后發(fā)展軟體機器人技術(shù)指出了新的方向。若將這類可逆變形單元采用柔性材料予以封裝，并將特定微電子芯片嵌入特殊設(shè)計的分布式陣列中，則可望研制出基于液態(tài)金屬材料及SCHEME機制的柔性機器人。特別地，結(jié)合未來的人機接口技術(shù)，這類軟體機器人在醫(yī)療健康領(lǐng)域也會大有作為。