液态机器人：
科幻成真？
《终结者2》这部影片上映后，其中的反派液态金属机器人T1000，给观众留下了深刻的印象。电影中，T1000不仅拥有钢铁一般的身躯，还能任意改变形状，甚至化为一滩液体后重新凝聚成原来的模样。
现在，这个曾经空中楼阁的愿景正在逐渐变为现实，来自中山、浙江大学及美国卡耐基梅隆大学的课题小组于1月25日发布了最新的研究成果，小组利用一种叫做磁活性相变物质的材料，也称MPTM，制成了可以在固液之间转换形态，并可受磁力操控的机器人。
在展示动画中，课题小组用穿越牢笼的场景致敬了《终结者2》中的名场面，并向人们显示了磁活性相变物质材料的神奇之处！
一
为何材料难
“刚柔并济”
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对于如今的材料，坚韧和柔软很难同时拥有。例如，金属类有坚硬特性的材料，一般熔点都很高。在高温下，能够熔化为流动的液态，但同时，熔化金属要耗费巨大的能量，并且，熔融金属除了进行金属的锻造，其他的应用价值几乎没有。
这也就是说，传统材料想要像T1000一样变得“刚柔并济”，是一件几乎不可能的事。
但是，目前的确有部分材料，在保持柔韧性的同时还有一定的硬度。比如，D3O这种材料，虽然在外观上，它像橡皮泥一般软，能塑造任何形状，但是当它在受到快速的撞击时（比如锤击），又能变得十分刚硬。
D3O材料利用了增稠效应，部分流体当受到撞击（例如锤击）的时候，粘稠度会突然增加。就如看着像橡皮泥，砸下去却像砸在了一大块石头上。
由D3O制成的保护手套
作者：HecltoTrmel2020
图片来源：维基
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自然界中也有相似特性的物种，例如，海洋生物海参，它们身体柔软，但其实，海参能适度调节身体的硬度。其原理是调节组成其身体的原纤维间基质的硬度，这样能让原来柔软的身体有一定的抗压能力，从而避免环境因素对身体造成损害。
具有柔软身体的海参
作者：François Michonneau
图片来源：维基
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但以前的材料有一个严重的问题，就是他们难以和合金一类的结构材料维持刚性状态下的形态，而且难以抵抗一般的结构材料能承受的拉扯、剪断以及旋转等各种力。
但是，本次研究的团队却制成了一种可以轻易转换刚柔两种状态，并且能在刚性状态下有金属一样优秀强度的材料，MPTM。根据团队的说法，在MPTM的发明中，海参是他们的灵感源泉。
MPTM的刚柔转换机理
二
液态机器人研发过程
MPTM是一种以金属镓和磁性颗粒构成的复合材料。镓是一种低熔点金属，它在29.8℃下就可以熔化，所以在正常的室温（25℃）状态下是金属，但温度稍微升高（例如在人的手心的温度下），就会变为液体。
两种状态下的MPTM示意图
MPTM排除身体内异物的演示视频
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2001年前后，作者团队开始对当时还鲜为人知的常温液态金属进行深耕。经过十余年持续探索和积累，团队于2013年首次发现电场调控下液态金属与水的复合体可在各种形态及运动模式之间发生转换的基本现象和原理，揭示出液态金属所呈现出的大尺度变形、旋转、定向运动及合并、断裂-再融合行为，其响应过程中表面积改变甚至可达上千倍，能轻易钻过较之自身狭窄很多倍的缝隙。这一工作在国际上引发重大反响，成为液态金属可变形机器人领域的开端，业界普遍认为，这一“液体机器预示着柔性机器人新时代”，“终结者有望走进现实”。此后，团队还拓展出更多液态金属可变形机器的驱动方式，包括通过胞吞效应赋予液态金属以磁性，以摆脱机器受限于溶液环境的问题，由此实现了在三维空间可编程控制，也为多自由度驱动液态金属提供了技术基础。
典型机器分类及其组成材料的杨氏模量范围
小机器人的液化“越狱”过程
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2014年末，团队于世界上首次发现了一种异常独特的液态金属自驱动现象和机制，即液态金属可通过吞食微量“铝箔”后形成全柔性自驱动机器，速度达每秒厘米级且可持续运行数小时，运动过程中液态金属机器还可根据轨道角度和宽度调整自身形状，实现无需外界能量供应的自主变形和运动，且在分离和组装后仍保持运动；若将这种自驱动液态金属打散，可瞬间生成大量快速运动的微马达群，它们在电场作用下可形成高速定向运动，在磁场下则表现出磁陷阱效应。这一系列工作为研制实用化智能马达、血管机器人、流体泵送系统、柔性执行器乃至更为复杂的液态金属机器人奠定了理论和技术基础。
三
团队采访
AMR：请和大家分享一下这个领域可能会出现的研究机会！
刘静教授：
液态金属机器人已被公认为机器人领域最具发展前景的重大方向之一，相应研发机会众多，不完全列举如：各种液态金属功能材料的发明，以及由此引申出的超常构象转换、变形与运动机理、调控方法乃至机器人原理的构筑等；与此同时，液态金属与生物学、机器人、电子以及智能科学等的融合，可望进一步促成液态金属可变形机器人理论与应用技术体系的革新，同时也为各有关学科前沿提供了丰富的研究空间。
AMR：请问有什么科研心得想分享给读者们?
刘静教授：
我觉得，在“科技无人区”进行探索虽然面临重重困境，但一个好处是机遇往往不期而至，不过这通常又是一个量变引起质变、必然性与偶然性交相出现的过程，因此甘坐冷板凳、能够长期坚持十分必要，这几乎也是获取“源头”成果的一条必经之路。如下分享几则从实践中获得的体会：
1. 科研中一万小时定理总是对的。由使命驱动、面向解决重大需求开展的艰苦探索可能催生变革，我意识到用液态金属冷却CPU芯片就是在穷尽无数方案后偶然所得，算是自己不忘初心、总想找到全新解决方案的结果。
2. 前沿研究往往会带给探索者“无心插柳柳成荫”的美妙体验。我萌生液态金属印刷电子的想法，是在最初做冷却试验时受液态金属飞溅到电脑屏幕后不易擦除而启发，该领域目前已一发不可收，影响面十分广泛。
本次提出的MPTM材料为液体机器人研究领域的新突破做出了贡献。虽然在某些方面，还没有达到实用级别，且恢复到之前的形态也还只是表面的现象。但《终结者2》中的空中楼阁走进现实，仍然是值得我们憧憬的，你是否也对此感到期待呢？
