海洋鳥類漂泊信天翁可以連續(xù)飛行幾十天而不休息，飛行里程近15000公里；陸地上奔跑最快的動物之一獵豹，捕獵時最快速度能達(dá)到29m/s（104.4km/h），接近汽車在高速公路上飛速行駛的速度……自然界中動物特異的運動能力很大程度上得益于他們卓越的肌肉性能。受肌肉出色性能的吸引，人們對研制能夠模仿肌肉運動如伸縮、旋轉(zhuǎn)、彎曲等的人工肌肉越來越感興趣。新興的基于介電彈性體、刺激-響應(yīng)聚合物、形狀記憶合金（SMA）以及碳基復(fù)合物等材料的人工肌肉雖然相比于傳統(tǒng)電氣、液壓、氣壓驅(qū)動器具有體積輕小、結(jié)構(gòu)緊湊、價格低廉等優(yōu)勢，但其需要高驅(qū)動電壓、應(yīng)變小、響應(yīng)慢等缺陷嚴(yán)重限制了它們的應(yīng)用。

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院張世武教授、金虎副研究員聯(lián)合英國伯明翰大學(xué)唐詩楊博士、澳大利亞伍倫貢大學(xué)李衛(wèi)華教授、蘇州大學(xué)李相鵬教授以及美國北卡羅來納州立大學(xué)Michael Dickey教授組成的研究組提出了一種基于電化學(xué)方法改變液態(tài)金屬表面張力的液態(tài)金屬人工肌肉（LMAM）來模仿肌肉的收縮及舒張功能。LMAM能在不同pH溶液（0-14）中工作，最大伸展速度達(dá)到15mm/s，最大應(yīng)變達(dá)到87%，另外，這種人工肌肉所需的驅(qū)動電壓極小，舒張時驅(qū)動電壓僅需0.5V，收縮時僅需4V。該項工作有望為柔性驅(qū)動器在微機電系統(tǒng)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用提供全新思路。相關(guān)成果以“A Liquid Metal Artificial Muscle”為題發(fā)表在 Advanced Materials上。

近年來，鎵基液態(tài)金屬由于其卓越的物化特性成為一大研究熱點。鎵基液態(tài)金屬兼具液體和固體的一些特性，包括高電導(dǎo)/熱導(dǎo)率，良好的柔性，毒性極低且不易揮發(fā)。此外，鎵基液態(tài)金屬極易被氧化形成表面氧化膜，未被氧化時，液態(tài)金屬具有目前已知液體中最大的表面張力（>600mN/m），氧化后，液態(tài)金屬的表面張力可降至接近0。聯(lián)合研究組利用電化學(xué)方法快速、可逆地實現(xiàn)這兩種狀態(tài)的切換（圖1a - c），同時，研究組通過機構(gòu)設(shè)計，構(gòu)造液橋，將液態(tài)金屬液滴狀態(tài)切換過程中的形態(tài)變化轉(zhuǎn)化為驅(qū)動行程及驅(qū)動力。如圖1d所示，液滴上下兩端布置銅電極，其不僅為液滴提供氧化/還原電壓，銅和液態(tài)金屬優(yōu)異的潤濕性還使得液滴能被錨定在銅片上。液態(tài)金屬液滴在上下銅電極之間形成液橋，電極提供氧化電壓時（+4V），液滴從近球狀變成扁平泥狀，液橋?qū)ι匣椎淖饔昧ο蛳?，液橋高度降低，人工肌肉“收縮”；電極提供還原電壓時（-0.5V），液滴從扁平泥狀恢復(fù)成近球狀，液橋?qū)ι匣椎淖饔昧ο蛏?，液橋恢?fù)初始高度，人工肌肉“舒張”。在0.25Hz電壓（4V到-0.5V）驅(qū)動下，人工肌肉能提供約20mN的拉力，40mN的推力，超過1mm的驅(qū)動行程（圖1i）。

圖1 液態(tài)金屬人工肌肉的驅(qū)動

研究人員隨后通過對驅(qū)動參數(shù)優(yōu)化、驅(qū)動單元的串并聯(lián)提升人工肌肉的性能。為了驗證LMAM良好的驅(qū)動性能和應(yīng)用潛力，研究展示了LMAM在編碼顯示、貨物運載、可重構(gòu)光學(xué)器件中的應(yīng)用。研究人員還基于LMAM驅(qū)動開發(fā)了一種自主游動（untethered）的單尾鰭仿生機器魚（圖2）。尾鰭一端的兩側(cè)對稱布置有兩個LMAM驅(qū)動單元，兩個單元的異步收縮-舒張驅(qū)動尾鰭連續(xù)擺動（圖2b），從而驅(qū)動機器魚向前游動。機器魚僅由一節(jié)3.7V（80mAh）鋰電池供電，驅(qū)動信號由內(nèi)載MCU調(diào)制，在2Hz電壓信號驅(qū)動下，機器魚游動速度能達(dá)到10cm/min，續(xù)航時間達(dá)40min。

圖2 基于液態(tài)金屬人工肌肉的仿生機器魚

該研究證實了基于液態(tài)金屬液滴的柔性驅(qū)動器在低輸入電壓下具備卓越的驅(qū)動性能，為未來開發(fā)基于低功率驅(qū)動器機器人系統(tǒng)鋪平了道路。工程科學(xué)學(xué)院博士研究生舒健、葛杜安、王二龍為論文共同第一作者，工程科學(xué)學(xué)院張世武教授、金虎副研究員，以及英國伯明翰大學(xué)唐詩楊博士為論文共同通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金等項目資助與支持。

近日，聯(lián)合研究組還提出了一種通用的光誘導(dǎo)液態(tài)金屬液滴驅(qū)動方案：使用激光束選擇性地激活電解液中的光電晶體管，從而利用馬拉格尼力（Marangoni force）實現(xiàn)對液態(tài)金屬液滴的電驅(qū)控制（圖3）。該方案無需復(fù)雜和龐大的系統(tǒng)，簡單利用光即可誘導(dǎo)多個液態(tài)金屬液滴的并發(fā)運動、分裂和合并，研究人員也展示了其在光控繼電器等方面的應(yīng)用。這種用于操縱LM液滴的光誘導(dǎo)控制方法為在MEMS、現(xiàn)場可編程機器人和基于液滴的液體協(xié)作機器人領(lǐng)域的未來創(chuàng)新研究提供了新的方向和技術(shù)途徑。相關(guān)成果以標(biāo)題為“Light-controlled versatile manipulation of liquid metal droplets: a gateway to future liquid robots” 發(fā)表在Materials Horizons上，并被選為封底文章。

圖3 光誘導(dǎo)液態(tài)金屬液滴驅(qū)動 （a）光誘導(dǎo)液態(tài)金屬驅(qū)動裝置；

（b）光誘導(dǎo)液態(tài)金屬液滴沿特定圖案運動；（c）和（d）光誘導(dǎo)液態(tài)金屬驅(qū)動小車

此外，聯(lián)合研究組還基于液態(tài)金屬的電致驅(qū)動成功研制了一種無需任何常規(guī)電磁器件的液態(tài)金屬電機（圖4a），該電機利用電場在液態(tài)金屬液滴兩側(cè)形成表面張力差，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，輸出力矩；為了克服傳統(tǒng)固-固接觸電刷摩擦力大，磨損消耗快，產(chǎn)生火花造成安全隱患等缺陷，研究人員還利用液態(tài)金屬優(yōu)異的導(dǎo)電性和較低的粘度，設(shè)計了一種固-液接觸的液態(tài)金屬電刷，該電刷能避免導(dǎo)線纏繞，有效保證電路連通，同時，其轉(zhuǎn)動阻力比常規(guī)電刷小一到兩個數(shù)量級。研究人員還展示了利用該電機驅(qū)動小車和小船分別在陸地和水中運動的應(yīng)用（圖4b , c）。該項工作有望彌補傳統(tǒng)驅(qū)動器件的缺陷，啟發(fā)液態(tài)金屬在柔性機器人、微機電系統(tǒng)、柔性電子等領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。相關(guān)成果以 “Liquid Metal Motor”為題發(fā)表在Cell子刊 iScience上，并被Matter期刊作 Preview介紹。

圖4 液態(tài)金屬電機（a）液態(tài)金屬電機結(jié)構(gòu)圖；

（b）和（c）液態(tài)金屬電機驅(qū)動的小車和小船；

AM文章鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202103062

MH文章鏈接：

https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2021/mh/d1mh00647a

iScience文章鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2589004220311081

（工程科學(xué)學(xué)院、科研部）

新聞鏈接：http://news.ustc.edu.cn/info/1055/76685.htm

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