终结者的到来——基于镓基液态金属的新一代柔性机器人

近年来,随着柔性软物质材料日益增长的应用,以及新型柔性机器在软体驱动、智能传感与仿生功能中的持续科研突破,柔性机器得到了学术界前所未有的关注。相较于传统的刚体机器,柔性机器具有十分独特的运动系统以及操控机制,这使其能应用于许多非常严酷的环境中。其中,一类新型的柔性材料——镓基液态金属,能够展现出神奇的柔性及流动性,这为其在柔性机器领域中的应用提供了坚实的物质基础。

镓基液态金属是一种室温下呈液态的金属,由镓与铟、铋、铅、锡、镉等金属按照不同的配比配制而成,是具有不同熔点的金属合金,不同配比的液态金属合金其物理性质各不相同。区别于传统的高毒性室温液态金属“汞”的是,此类液态金属材料具有良好的生物相容性以及优异的金属性和流动性,这使其得以逐步应用于生物医学及仿生领域。由于金属的导电性优于非金属,因而可在柔性印刷电子产业发挥关键作用。此外,基于液态金属的无毒性和良好的生物相容性,学术界近年来发明了一系列液态金属骨水泥、生物电极、神经连接器、药物递送系统、电子皮肤以及可穿戴电子设备等新颖技术。可以看出,液态金属已体现出在电子、材料以及生物医学领域极为广阔的应用前景。

清华大学医学院刘静课题组联合中科院理化所,基于本课题组近些年来关于镓基液态金属材料及柔性机器人等的科学发现以及同领域中的前沿研究成果,对液态金属作为应用于柔性机器人领域中的材料特性进行了详细评述。包括其流动性、柔性、固液相转换特性、导电性、生物安全性、多功能复合材料改性等(图A);此外,还勾画出基于液态金属的柔性机器的基本设计架构及单元,涉及驱动装置及能量供应部分、仿生传感功能,以及作为柔性机器的功能控制单元等;在此基础上对此种新型的液态金属柔性机器的应用进行了介绍,包括柔性仿生机器人、智能控制机器、微型机器人等;最后对液态金属柔性机器人的发展前景以及当前存在的关键技术难题进行了深入探讨。该综述全面介绍了液态金属在新一代全柔性机器人的设计及应用中的理论基础、技术依托以及应用方向。

研究者相信,此综述将会为基于液态金属的柔性机器人系统的进一步研究打开一扇窗户,在推进软物质材料科学的发展以及柔性智能控制系统的应用方面提供新的材料以及研究思路。相关综述在线发表于Advanced Materials Technologies (DOI: 10.1002/admt.201800549)上,并于当期Back Cover做简要介绍。

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