液態(tài)金屬驅(qū)動(dòng)的功能性輪式移動(dòng)機(jī)器人的實(shí)現(xiàn)

中國(guó)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(dòng)器，首次實(shí)現(xiàn)了液態(tài)金屬驅(qū)動(dòng)的功能性輪式移動(dòng)機(jī)器人。

電影《終結(jié)者》中的液態(tài)金屬機(jī)器人“T1000”開(kāi)啟了液態(tài)金屬在機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用的夢(mèng)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(guò)電場(chǎng)、磁場(chǎng)以及濃度梯度場(chǎng)等多種能量場(chǎng)或者表面改性等方式，實(shí)現(xiàn)變形、移動(dòng)、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(guó)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(wú)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(chǎng)功耗下，展示出高效的運(yùn)動(dòng)能力。聯(lián)合研究組巧妙地將高效液態(tài)金屬驅(qū)動(dòng)和變重心機(jī)構(gòu)相結(jié)合，開(kāi)發(fā)出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、驅(qū)動(dòng)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(zhǎng)的輪體內(nèi)部；通過(guò)巧妙設(shè)計(jì)的隨動(dòng)微型電極支架施加外部電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)輪體內(nèi)液態(tài)金屬運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而持續(xù)改變輪式機(jī)器人的重心，驅(qū)動(dòng)輪式機(jī)器人滾動(dòng)。同時(shí)，研究人員對(duì)所提出的新型液態(tài)金屬機(jī)器人做了動(dòng)力學(xué)建模與分析，并通過(guò)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(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能的影響，獲得驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的最佳參數(shù)匹配。進(jìn)一步，通過(guò)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(dòng)輪式移動(dòng)機(jī)器人。這一創(chuàng)新研究有望啟發(fā)一種新型驅(qū)動(dòng)方式，彌補(bǔ)傳統(tǒng)的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式（電機(jī)、液壓及氣動(dòng)等）結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大以及驅(qū)動(dòng)能效低等不足，促進(jìn)未來(lái)微小機(jī)器人及特種機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展。

近年來(lái)，由中國(guó)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(kāi)始研究液態(tài)金屬的驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)于一體，實(shí)現(xiàn)了2D平面內(nèi)的自主運(yùn)動(dòng)，該小車無(wú)任何機(jī)械傳動(dòng)，具有運(yùn)動(dòng)平滑柔順、無(wú)噪聲、低振動(dòng)、成本低廉、易于制造等特點(diǎn)，有望在自動(dòng)生產(chǎn)線以及實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)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(chǎng)作用下的非常規(guī)運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，并揭示了其內(nèi)在機(jī)理。該研究實(shí)現(xiàn)了通過(guò)外部磁場(chǎng)對(duì)不經(jīng)過(guò)任何改性的純液態(tài)金屬的運(yùn)動(dòng)控制，豐富了液態(tài)金屬的驅(qū)動(dòng)方法，有利于推動(dòng)液態(tài)金屬驅(qū)動(dòng)裝置的大規(guī)模應(yīng)用。該成果也于近日發(fā)表在Soft Matter上。