中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)精密機(jī)械與精密儀器系副教授張世武研究團(tuán)隊(duì)、澳大利亞伍倫貢大學(xué)教授李衛(wèi)華研究團(tuán)隊(duì)和蘇州大學(xué)機(jī)器人與微系統(tǒng)中心副教授李相鵬研究團(tuán)隊(duì)組成的聯(lián)合研究組，設(shè)計(jì)了基于鎵基室溫液態(tài)金屬的新型機(jī)器人驅(qū)動器，首次實(shí)現(xiàn)了液態(tài)金屬驅(qū)動的功能性輪式移動機(jī)器人。近日，該成果以A Wheeled Robot Driven by a Liquid‐Metal Droplet 為題，發(fā)表在《先進(jìn)材料》雜志上（Adv. Mater. 2018, 201805039）。

電影《終結(jié)者》中的液態(tài)金屬機(jī)器人“T1000”開啟了液態(tài)金屬在機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用的夢想之門。鎵基室溫液態(tài)金屬具獨(dú)特的表面性質(zhì)及理化特性，可以通過電場、磁場以及濃度梯度場等多種能量場或者表面改性等方式，實(shí)現(xiàn)變形、移動、分離以及融合等多種形態(tài)學(xué)變化，在MEMS、微流體、生物醫(yī)學(xué)以及機(jī)器人等領(lǐng)域展示出巨大的應(yīng)用前景，引起國際上的廣泛關(guān)注。然而，液態(tài)金屬在機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用研究目前僅局限于以液態(tài)金屬液滴為機(jī)器人本體，尚無基于液態(tài)金屬的功能性機(jī)器人的研究報(bào)道。

液態(tài)金屬鎵基室溫液態(tài)金屬擁有巨大的表面張力，可以在極低的電場功耗下，展示出高效的運(yùn)動能力。聯(lián)合研究組巧妙地將高效液態(tài)金屬驅(qū)動和變重心機(jī)構(gòu)相結(jié)合，開發(fā)出結(jié)構(gòu)簡單緊湊、驅(qū)動性能好的新型液態(tài)金屬機(jī)器人。研究人員設(shè)計(jì)了一種具有超疏水表面的極輕半封閉輪式結(jié)構(gòu)，將液態(tài)金屬液滴限制在狹長的輪體內(nèi)部；通過巧妙設(shè)計(jì)的隨動微型電極支架施加外部電場驅(qū)動輪體內(nèi)液態(tài)金屬運(yùn)動，進(jìn)而持續(xù)改變輪式機(jī)器人的重心，驅(qū)動輪式機(jī)器人滾動。同時(shí)，研究人員對所提出的新型液態(tài)金屬機(jī)器人做了動力學(xué)建模與分析，并通過實(shí)驗(yàn)探索了電解液濃度、施加電壓、液態(tài)金屬體積、輪體結(jié)構(gòu)等參數(shù)對機(jī)器人運(yùn)動性能的影響，獲得驅(qū)動運(yùn)動的最佳參數(shù)匹配。進(jìn)一步，通過集成電池系統(tǒng)，研究人員成功設(shè)計(jì)了新型液態(tài)金屬自驅(qū)動輪式移動機(jī)器人。這一創(chuàng)新研究有望啟發(fā)一種新型驅(qū)動方式，彌補(bǔ)傳統(tǒng)的機(jī)器人驅(qū)動方式（電機(jī)、液壓及氣動等）結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大以及驅(qū)動能效低等不足，促進(jìn)未來微小機(jī)器人及特種機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展。

該論文第一作者為中國科大精密機(jī)械與精密儀器系碩士生伍健。中國科大張世武、澳大利亞伍倫貢大學(xué)博士唐詩楊、蘇州大學(xué)李相鵬為共同通訊作者。該課題得到國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助。

近年來，由中國科大、澳大利亞伍倫貢大學(xué)和蘇州大學(xué)組成的聯(lián)合研究組開始研究液態(tài)金屬的驅(qū)動特性及其在機(jī)器人上的應(yīng)用，取得了系列進(jìn)展。聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了以液態(tài)金屬液滴作為柔性輪承載及驅(qū)動的微型小車，集成電源、控制電路、傳感器以及液態(tài)金屬驅(qū)動機(jī)構(gòu)于一體，實(shí)現(xiàn)了2D平面內(nèi)的自主運(yùn)動，該小車無任何機(jī)械傳動，具有運(yùn)動平滑柔順、無噪聲、低振動、成本低廉、易于制造等特點(diǎn)，有望在自動生產(chǎn)線以及實(shí)驗(yàn)室自動化中大展身手。該成果近日發(fā)表在IEEE Transactions on Industrial Informatics上。此外，聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)了液態(tài)金屬在外磁場作用下的非常規(guī)運(yùn)動現(xiàn)象，并揭示了其內(nèi)在機(jī)理。該研究實(shí)現(xiàn)了通過外部磁場對不經(jīng)過任何改性的純液態(tài)金屬的運(yùn)動控制，豐富了液態(tài)金屬的驅(qū)動方法，有利于推動液態(tài)金屬驅(qū)動裝置的大規(guī)模應(yīng)用。該成果也于近日發(fā)表在Soft Matter上。