液态金属：制造新型软体机器人新思路

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导读

近年来，针对室温液态金属的科学研究不断深入发展，以镓基合金为代表的室温液态金属在柔性电子、生物医学以及智能机器等领域表现出广阔的应用前景。其中，来自中国的研究团队发现室温液态金属——镓铟合金在碱性溶液中具有大幅度变形运动特性，表现出类生物的行为特性，为制造新型软体机器人提供新的研究思路。同时，基于液态金属自身的高顺应性和高导电性，液态金属在构建应用于软体机器人的柔性传感器和驱动器领域有着广阔的应用前景。

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作者简介：

国瑞，清华大学医学院16级直博生，师从刘静教授，主要研究方向为：液态金属柔性电子、可穿戴医疗设备相关研究。开发出多种基于液态金属的高精度印刷电子、生物电极、柔性传感器、可穿戴设备以及软体机器人的相关制造技术。2020年清华大学特等奖学金候选人。

PART-1

液态金属的特性

室温液态金属是指熔点低于30 °C的一类金属或合金材料。其中，汞是一种为大众所熟知的室温液态金属（熔点−38.8 °C），然而，由于金属汞易蒸发产生剧毒的汞蒸气，这严重限制了它的应用。近年来，以低熔点金属镓（熔点29.8 °C，沸点2204 °C）为基础的室温液态金属合金材料凭借其相对稳定的物理性质，受到广泛关注，科研人员也基于此材料陆陆续续取得一系列的研究成果。镓基液态金属，例如镓铟合金（EGaIn：GaIn_24.5）和镓铟锡合金（Galinstan：Ga_68.5In_21.5Sn₁₀）的熔点低于元素金属镓。同时，不同的混合比率会影响液态金属的熔点以及其他物理特性（表1）。

表1 不同混合比例的液态金属材料的熔点及其他物理特性^[1]

1、流动性

镓基液态金属材料表现出极好的流动性。研究表明，液态金属的运动粘度低于水（2.5 × 10⁻⁷–7.5 × 10⁻⁷ m² s⁻¹）。这种流动性特点使得液态金属可以直接注射到特定腔道中，并且可以适形地改变液态金属的形状以适应更为复杂的腔体。

2、固-液相变特性

此外，当温度高于熔点时，液态金属显示出极好的流动性和柔韧性。而当温度低于熔点，液态金属显示出固态金属的机械强度。这种独特的液相-固相过渡机制，使得液态金属可以在较低温度下快速成型，用于制备各种形状的三维物体。

3、导电性

通常，金属的电导率远高于非金属材料。与非金属导电材料相比，液态金属在保持柔性的同时表现出更高的导电率（3.4×10⁶ S m^-1），远高于非金属材料（碳：1.8×10³ S m^-1，碳纳米管：5.03×10³ S m^-1，PEDOT：PSS：8.25×10³ S m⁻¹）。

4、生物相容性

由于蒸气压低且在水中的溶解度有限，基于镓的液态金属基本上无法进入人体，其细胞毒性远低于高毒性的金属汞。研究表明长时间浸泡镓铟合金的水溶液中释放的镓离子浓度远低于安全标准。将镓铟合金与生物细胞共同培养的实验表明细胞存活率接近100%。此外，将镓铟合金注射到小鼠皮下也没有明显的毒副作用。

PART-2

机器人驱动方式

不同于传统的刚性机器人或者气动软体机器人，基于液态金属的软体机器人通常采用电场、磁场、光热以及化学驱动的方式实现软体机器人的自身变形和运动。

图1 液态金属软体机器人的不同驱动方式

1、电场驱动

来自中国的研究团队发现在电场调控下液态金属液滴在碱性溶液中具有多模式的运动和变形现象，并解释了液态金属的基本驱动原理。液态金属液滴在碱性溶液（氢氧化钠溶液）中缓慢释放[Ga(OH)₄]⁻，导致液态金属表面带负电并形成电双层。在电场作用下，液态金属液滴前后两侧的电荷密度分布不均，从而使得前后的表面张力不平衡。这种不平衡的表面张力差推动了液态金属液滴的定向运动。

2、磁场驱动

磁场驱动是另一种被广泛研究的液态金属软体机器人运动方式。例如，有研究人员将磁性金属电镀到液态金属液滴表面，或者在酸性溶液中将磁性金属颗粒浸润到液态金属中制备出磁性液态金属液滴，并在磁场控制下实现液态金属液滴的定向运动和位置调控。而且利用液态金属的导电性，可以在磁场控制下使得液态金属液滴在狭窄管道内运动，用于电路的修复和连接。

3、光驱动

此外，也有研究人员将WO3纳米颗粒附着在液态金属液滴表面，在过氧化氢溶液中，用紫外照射WO3纳米颗粒催化分解过氧化氢产生氢气，从而推动液态液滴的运动。

4、化学驱动

值得注意的是，研究人员发现了一个有趣的液态金属液滴自驱动的现象。研究发现液态金属液滴可以将金属铝作为燃料，驱动液滴的运动。在电解质溶液中，将金属铝放在液态金属液滴上，发现金属铝被液态金属吞噬溶解，并在液态金属液滴的周围出现大量气泡，这些气泡可以推动液态金属液滴进行定向运动。在该反应中，铝和液态金属之间的电化学反应使得金属铝失去电子，导致液态金属表面电荷分布不均，产生表面张力差驱动液态金属运动。更为重要的是金属铝分解产生的大量气泡也推动了液态金属液滴的定向运动。

PART-3

机器人传感

图2 液态金属柔性电路用于机器人传感

由于液态金属的高电导率和在各种柔性基材上可调节的附着力，液态金属已被广泛用于制备可拉伸电子电路及传感器等领域。例如，将液态金属直接印刷在人体皮肤或软体机器人表面，制备功能性皮肤电子设备，长期舒适地监测人体生理信号赋予机器人更为灵敏的传感功能。此外，基于液态金属的拉伸传感器可跟随柔性基底的拉伸而产生形变，导致其电阻特性的改变，通过检测液态金属传感器的电阻变化即可获得基底的运动信息。这种液态金属拉伸传感器可用于检测气动软体机器人的运动变形以及作为交互式运动传感手套，实现人机交互功能。

结语

液态金属软体机器人的多种驱动模式为设计新型软体机器人提供了新的研究方向。基于液态金属的柔性电路制造技术为软体机器人的智能传感研究提供新的技术途径。在机械、电子以及生物安全性等多方面的优势下，液态金属在智能操纵柔性传感器电子皮肤和软体机器人领域出巨大的应用前景。同时，液态金属仍有许多重要的现象有望被发现。随着技术的进步，液态金属软体机器人也将更加多样化和智能化。

参考文献

[1] Xuelin Wang, Rui Guo, Jing Liu. Liquid Metal Based Soft Robotics: Materials, Designs, and Applications. Advanced Materials Technologies, 2019, 4(2): 1800549.

文稿｜国　瑞

编辑｜史宛琪 高松龄 万永文 李艳文 周圣钧

审核｜赵　鑫 张可人