柔性機器人作為一個新興領域，從機械學、物理學到生物學，都已獲得越來越廣泛的關注。然而具有剛性對應物的傳統材料很難靈活地轉變為多種形態。鎵基液態合金具有優異的導熱性和導電性、低黏度、良好的流動性和生物相容性，在先前的研究中，其展現出了在外加電場和犧牲金屬的刺激下變形和運動的能力，在柔性機器人領域被寄予厚望。

鎵基合金一直以銀白色的金屬光澤示人。近日，中科院理化所研究報道了液態金屬表面在犧牲金屬或電場的刺激下可產生變色現象，使得液態金屬具備了類似章魚等頭足綱動物的柔軟、可變形變色的特點。

該研究由中科院理化所研究員饒偉和宋愷合作，成果已于近日發表于期刊。

從意外發現到有序調控

“鎵基液態金屬的變色主要緣于對光路的調控。”采訪中，饒偉向《中國科學報》記者詳細解釋了變色原理，在犧牲金屬和外加電場的控制下，鎵基液態金屬表面生成了一層厚厚的氧化鎵（Ga2O3）氧化膜，這層膜的厚度比正常情況下生成的Ga2O3氧化膜厚數百倍，與光的波長量級相當。

在電場作用下形成的氧化膜上下表面是光滑的，因此入射光在氧化膜表面會發生薄膜干涉，從而產生五顏六色的色彩。而在犧牲金屬作用下，氧化膜的下表面并不光滑，沒有發生薄膜干涉，同時由于氧化膜內部多孔結構產生了瑞利散射，表面呈現金黃的色彩，隨著原電池反應的進行，氧化膜下表面的液態金屬上會產生很多孔洞，這些孔洞相當于一些黑體，吸收了入射的光線，隨著孔洞的數量增加，大部分光線被孔洞吸收，液態金屬表面逐漸呈現黑色。

“其實這是一個十分偶然而又有趣的實驗現象。”饒偉介紹研發過程時表示，理化所低溫生物與醫學實驗室在2016年發現了液態金屬在石墨表面上的自由塑形效應，液態金屬吞噬鋁箔之后可在石墨基底板上伸出若干個偽足發生形變，猶如神奇的變形蟲。

“我們在重復這一實驗過程中，無意中提升了一下鋁箔和液態金屬的重量比，結果發現液態金屬在犧牲金屬的刺激下不僅發生了形狀各異的變形（花朵狀、雪花狀），還產生了從淺黃色、金黃色、淺棕色、深棕色再到黑色的變色現象。”饒偉說。

這樣一個奇特的現象引起了團隊極大的研究興趣。“為了對變色過程進行有序的調控，我們進一步剖析了這一變色現象背后深刻的科學機理，發現變色與液態金屬液滴表面電場電勢的高低有著密切的聯系，于是通過巧妙的環形電極設計，在金屬液滴表面形成了有序的電勢梯度，從而得到了五彩斑斕的色彩。”饒偉表示。

科學的發現既有偶然性，又存在著必然性。饒偉認為，正是實驗室團隊長期在液態金屬研究領域的積累，使得其團隊發現了意料之外的神奇現象，“對于非常規效應的好奇和鉚足勁頭的深究正是科學探索的美妙之處”。

液態金屬合金是關鍵

在柔性機器人的使用上，液態金屬可在電場、磁場及超聲等外場作用下誘發其一系列的旋轉、定向運動及合并—斷裂—再合并等復雜的行為模式。在電場控制下，可以實現比表面積變化達1000倍的可逆變換，這一超常的大尺度變形能力為可變形機器人的研制提供了十分便捷的條件。

“室溫液態金屬是一類集金屬與流體特性于一體的多能性材料，作為一大類新興的功能材料，液態金屬最大的特點是打破了固體金屬和傳統流體材料之間的壁壘，可以在室溫下實現靈活的固液轉變，具備作為尖端材料的潛質。”饒偉表示，與傳統3D打印金屬材料、形狀記憶合金等材料相比，液態金屬具有高導電、高導熱、流動性、可化學修飾及室溫可變形等罕見的全能特征。

前不久，中國科學技術大學精密機械與精密儀器系副教授張世武研究團隊與其他團隊組成的聯合研究組，設計了基于鎵基室溫液態金屬的新型機器人驅動器，創造出液態金屬驅動的功能性輪式移動機器人。

這種液態金屬材料就是共晶鎵銦（EGaIn）的液態金屬合金，“合金由75％的鎵和25％的銦組成，其熔點為15.5℃，在室溫下為液體。該液態金屬具有低黏度和高表面張力，類似于汞。然而與汞不同，EGaIn 具有低毒性和可忽略不計的蒸氣壓，使其在實驗室和工業應用中更為安全。”張世武告訴《中國科學報》。

鎵銦合金作為“液體”，具備柔軟、可變形、可拉伸、可重構，且可自我修復等特性；作為“金屬”，它們具有高的導電性和導熱性。理化所研究團隊通過在溶液中引入表面張力的梯度， 發現了它們前所未有的驅動行為，利用其在微機電系統中實現了“軟發動機”。

饒偉評價說，這項研究是利用電場調控封閉在狹長輪體內部的液態金屬變形來改變車輪的重心，從而驅動車輪進行滾動。“這項研究提供了一種構造簡單的驅動裝置，或許可以解決柔性機器人動力方面的一些問題。”

“液態金屬機器人具備許多獨特的優點，如簡單的制造工藝、沒有傳統的移動部件、易于維護和相對低的功耗等。”張世武說。

實現用途還有很多難題

實際上，設計出能以可控方式在不同形態之間自由轉換的機器，并創造出高智能設備代替人類執行更為特殊高級或危險復雜的任務，一直是全球科學界與工程界的一個夢想。

軟體機器人擁有機動靈活及強度可變等綜合特性，可使人類的感知和行動延伸到無法接近且惡劣的環境中。饒偉舉例道，比如，在抗震救災或軍事行動中，此類機器人能根據需要適時變形，以穿過狹小空間并可重新恢復原形以繼續執行任務；在醫學實踐中，研制出可沿血管包括人體腔道自由運動，以執行各種在體醫學任務的柔性機器人，是電子機械與現代醫學前沿共同追求的十分現實的重大科學目標，極具臨床價值。

雖然應用前景向好，但液態金屬柔性機器人仍面臨著很多挑戰和難點。饒偉介紹，現階段，柔性機器人多是單一的運動模式，如蠕動、旋轉、彎曲爬行、逆重力攀爬、大尺度變形等，在多任務之間靈活切換的智能機器人研究方面仍有很多難點。除功能單一外，柔性機器人的結構也較為簡單，發展類生物體的功能和結構共融一體化的柔性機器人，也面臨諸多難題。

可變色的柔性機器人在軍事領域極具應用價值，目前的軍事偽裝手段一般是靜態的，很難根據季節和現場情況的變化進行相應調整，某些特殊情況下的偽裝由于不能實時變化，反而容易暴露目標。“發展可根據環境變化而變色的柔性機器人，極具軍事顛覆性。”饒偉說。