科幻照进现实——“液态金属人工肌肉”研制成功

杨勇

说起“液态金属”，很多人首先想到的是电影《终结者2》中的大反派——液态金属机器人T-1000。它的身体能像水一样流动，可以毫无阻碍地穿过栅栏;它还能将双手变成利刃，能变成其他人的样子，甚至能伪装成地板;子弹在它身上打出一个大孔，一转眼它就能自动愈合。它的冷酷与强悍，让主角吃了不少苦头。

想象力是科技的起点，T-1000开启了将液态金属应用在机器人领域的梦想之门。如今，在现实世界中，这个幻想已经得到了初步的实现。

可以流动的金属

在日常生活中，金属一般都有固定的形状和较高的强度，它怎么可能是液体呢？其实，在自然界中本来就存在液态的金属，最常见的就是体温计中的水银。

水银在常温下就是液态，只有温度低于-38.87摄氏度时它才会变成固体。但是，水银有两个特性，一是有毒，二是容易挥发，这大大限制了它的用途。好在科学家可以通过人工合成的方法，制造出无毒且不易挥发的液态金属，比如镓基合金。

镓是一种灰蓝色或银白色的金属，元素符号是Ga，原子量是69.723。镓的熔点很低，它在29.76摄氏度时就会变为银白色的液体。液态的镓很容易过冷，也就是当它熔化以后，再冷却至0摄氏度却不会凝固，而是继续保持液态。

近年来，镓基液态金属由于其独特的表面性质及理化特性而成为研究热点。镓基液态金属兼具液体和固体的一些特性，包括高电导/热导率，良好的柔性，毒性极低且不易挥发。此外，它还可以通过改变电场、磁场、浓度梯度场及表面改性等方式，实现变形、移动、分离及融合等多种形态学变化。因此，它在微流体、生物医学和机器人等领域都有很好的应用前景。

用液态金属制造人工肌肉

2021年，中国科学技术大学工程科学学院张世武教授、金虎副研究员，联合英国伯明翰大学唐诗杨博士、澳大利亚伍伦贡大学李卫华教授、苏州大学李相鹏教授，以及美国北卡罗来纳州立大学Michael Dickey教授组成的研究组，提出了一种基于电化学方法改变液态金属表面张力的液态金属人工肌肉（LMAM），以模仿肌肉的收缩及舒张功能。

海洋鸟类漂泊信天翁可以连续飞行几十天而不休息，飞行里程近15000千米;陆地上奔跑最快的动物之一的猎豹，捕猎时最快速度能达到29米/秒（104.4千米/时），接近汽车在高速公路上飞速行驶的速度……自然界中动物特异的运动能力很大程度上得益于它们卓越的肌肉性能。受肌肉出色性能的吸引，人们对研制能够模仿肌肉运动如伸缩、旋转、弯曲等的人工肌肉越来越感兴趣。

用液态金属制造的人工肌肉，能在不同酸碱度的溶液中工作，最大伸展速度达到15毫米/秒，最大应变达到87%。另外，这种人工肌肉所需的驱动电压极小，舒张时驱动电压仅需0.5伏，收缩时仅需4伏。这项研究成果有望为柔性驱动器在微机电系统、生物医学等领域的应用提供全新思路。相关成果以“A Liquid Metal Artificial Muscle”（液态金属人工肌肉）为题发表在《Advanced Materials》（《先进材料》）杂志上。

液态金属人工肌肉的工作原理

液态金属人工肌肉究竟是如何工作的呢？

你一定见过在荷叶上滚来滚去的水珠吧，是表面张力让水珠维持近球状。镓基液态金属的表面极易被氧化，形成一层氧化膜。未被氧化时，镓基液态金属具有目前已知液体中最大的表面张力，大约是水的10倍。因此，一滴镓基液态金属无论是滴在桌面上，还是放在掌心里，都会像荷叶上的水珠一样呈近球状。而在氧化以后，镓基液态金属的表面张力可以突然降到接近0，这时镓基液态金属会变成扁平泥状。

研究人员利用电化学方法，让镓基液态金属在还原与氧化两种状态之间，快速、可逆地切换。镓基液态金属处于还原状态时，表面张力大，形状为近球状;处于氧化状态时，表面张力小，形状为扁平泥状。在它改变形态的过程中，会向外输出力和位移，这就是液态金属人工肌肉的工作原理。

如上圖所示，在4滴液态金属液滴上下两端布置电极，让液态金属在电极之间形成液桥。当电极提供氧化电压（+4伏）时，液滴从近球状变成扁平泥状，液桥高度降低，人工肌肉“收缩”;当电极提供还原电压（-0.5伏）时，液滴从扁平泥状恢复成近球状，液桥恢复初始高度，人工肌肉“舒张”。就这样，液态金属的形态变化，被转化成了驱动行程及驱动力。在0.25赫兹电压（-0.5伏到4伏）驱动下，人工肌肉能提供约20毫牛的拉力，40毫牛的推力，超过1毫米的驱动行程。

研究人员通过对驱动参数进行优化，以及将驱动单元串并联，来提升液态金属人工肌肉的性能。此外，他们还开发出一种用液态金属人工肌肉驱动的仿生机器鱼。该机器鱼仅由一节80毫安时的锂电池供电，游动速度就能达到10厘米/分，并且续航时间可以达到40分钟。

这项研究证实了液态金属人工肌肉在低输入电压下具备卓越的驱动性能，为未来开发基于低功率驱动器机器人系统奠定了一定的基础。