液態(tài)金屬在智能制造領(lǐng)域的突破

Word液態(tài)金屬在智能制造領(lǐng)域的突破“液態(tài)金屬”，指的是一種不定型金屬，液態(tài)金屬可看作由正離子流體和自由電子氣組成的混合物。液態(tài)金屬成形過程及控制，液態(tài)金屬充型過程的水力學(xué)特性及流動(dòng)情況充型過程對(duì)鑄件質(zhì)量的影響很大可能造成的各種缺陷，如冷隔、澆不足、夾雜、氣孔、夾砂、粘砂等缺陷，都是在液態(tài)金屬充型不利的情況下產(chǎn)生的。正確地設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)使液態(tài)金屬平穩(wěn)而又合理地充滿型腔，對(duì)保證鑄件質(zhì)量起著很重要的作用。

液態(tài)金屬可看作由正離子流體和自由電子氣組成的混合物。自由電子受到“贗原子”（它由正離子和起屏蔽作用的自由電子云組成）的很弱的勢(shì)作用。兩個(gè)正離子間，除了直接的靜電排斥勢(shì)外，還有一種間接的通過自由電子氣而相互作用的勢(shì)，上述兩種勢(shì)的疊加稱為原子-原子的有效勢(shì)φ（r）。理論分析指出：φ（r）在長(zhǎng)程內(nèi)有振蕩。人們已建立聯(lián)系φ（r）和g（r）的積分方程，可以從φ（r）求解g（r），或從g（r）求期φ（r）。用“硬球模型”可很好地闡明液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)和某些熱力學(xué)性質(zhì)。倘若取φ（r）為“硬球勢(shì)”，并配以合適的硬球直徑，同樣能得到與實(shí)驗(yàn)一致的g（r）。通過傅里葉變換由衍射強(qiáng)度求得的g（r）總有一定誤差，人們至今不能肯定或否定熔體φ（r）振蕩的存在。

液態(tài)金屬為可變形材料特別是液體機(jī)器的設(shè)計(jì)和制造邁出了關(guān)鍵性的一步，一定程度上從理論和技術(shù)的層面論證了實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬機(jī)器人的可能性；事實(shí)上，該研究已打開了系列已趨現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用范疇，如制造柔性執(zhí)行器，控制目標(biāo)流體或傳感器的定向運(yùn)動(dòng)、金屬液體回收，以及用作微流體閥、泵或更多人工機(jī)器等。若采用空間架構(gòu)的電極控制，還可望將這種智能液態(tài)金屬單元擴(kuò)展到三維，以組裝出具有特殊造型和可編程能力的仿生物或人形機(jī)器；甚至，在外太空探索中的微重力或無重力環(huán)境下，也可發(fā)展對(duì)應(yīng)的機(jī)器來執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)。

在迄今所發(fā)展的各種柔性機(jī)器中，自主型液態(tài)金屬機(jī)器所表現(xiàn)出的變形能力、運(yùn)轉(zhuǎn)速度與壽命水平等均較為罕見，這為其平添了諸多重要用途。作為具體應(yīng)用器件之一，還特別展示了首個(gè)無需外界電力的液態(tài)金屬泵，通過將其限定于閥座內(nèi)，可達(dá)到自行旋轉(zhuǎn)并泵送流體的目的，據(jù)此可快速制造出大量微泵，滿足諸如藥液、陣列式微流體的輸運(yùn)等，成本極低;若將此類柔型泵用作降溫，還可實(shí)現(xiàn)高度集成化的微芯片冷卻器;進(jìn)一步的應(yīng)用可發(fā)展成血管或腔道機(jī)器人甚至是可自我組裝的液態(tài)金屬智能機(jī)器等。

自驅(qū)動(dòng)液態(tài)金屬機(jī)器的問世引申出了全新的可變形機(jī)器概念，將顯著提速柔性智能機(jī)器的研制進(jìn)程。當(dāng)前，全球圍繞先進(jìn)機(jī)器人的研發(fā)活動(dòng)正處于如火如荼的階段，若能充分發(fā)揮液態(tài)金屬所展示出的各種巨大潛力，并結(jié)合相關(guān)技術(shù)，將引發(fā)諸多超越傳統(tǒng)的機(jī)器變革。

近日中科院理化技術(shù)研究所、清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院聯(lián)合研究小組，在海外學(xué)術(shù)雜志上發(fā)表了一篇有關(guān)可變形液態(tài)金屬機(jī)器的研究論文，迅速被全球多個(gè)知名科學(xué)雜志或網(wǎng)站專題報(bào)道，引起了熱烈反響。

這種液態(tài)金屬機(jī)器完全擺脫了龐雜的外部電力系統(tǒng)，從而向研制自主獨(dú)立的柔性機(jī)器邁出了關(guān)鍵的一步。

研究揭示，置于電解液中的鎵基液態(tài)合金可通過“攝入”鋁作為食物或燃料提供能量，實(shí)現(xiàn)高速、高效的長(zhǎng)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，一小片鋁即可驅(qū)動(dòng)直徑約5mm的液態(tài)金屬球?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)達(dá)1個(gè)多小時(shí)的持續(xù)運(yùn)動(dòng)，速度高達(dá)每秒5厘米。

這種柔性機(jī)器既可在自由空間運(yùn)動(dòng)，又能于各種結(jié)構(gòu)槽道中蜿蜒前行;令人驚訝的是，它還可隨沿程槽道的寬窄自行作出變形調(diào)整，遇到拐彎時(shí)則有所停頓，好似略作思索后繼續(xù)行進(jìn)，整個(gè)過程仿佛科幻電影中的終結(jié)者機(jī)器人現(xiàn)身一般。

該研究為世界上首次發(fā)現(xiàn)一種異常獨(dú)特的現(xiàn)象和機(jī)制，即液態(tài)金屬可在吞食少量物質(zhì)后以可變形機(jī)器形態(tài)長(zhǎng)時(shí)間高速運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了無需外部電力的自主運(yùn)動(dòng)，從而為研制實(shí)用化智能馬達(dá)、血管機(jī)器人、流體泵送系統(tǒng)、柔性執(zhí)行器乃至更為復(fù)雜的液態(tài)金屬機(jī)器人奠定了理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，自驅(qū)動(dòng)液態(tài)金屬機(jī)器的問世引申出了全新的可變形機(jī)器概念，將顯著提速柔性智能機(jī)器的研制進(jìn)程。當(dāng)前，全球圍繞先進(jìn)機(jī)器人的研發(fā)活動(dòng)正處于如火如荼的階段，若