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中國研造出世界首台液態金屬機器 (zt)

(2015-03-26 08:06:14) 下一個

(一)中國研造出世界首台液態金屬機器
    中國科學家造出了世界首台液態金屬機器,這一成就被外媒形容為製造出“終結者”。

據中科院理化所網站,由中國科學院理化技術研究所、清華大學醫學院聯合研究小組,在Advanced Materials上發表了題為“Self-Fueled Biomimetic Liquid Metal Mollusk”(2015)的研究論文,迅速被New Scientist、Nature研究亮點、Science新聞等數十個知名科學雜誌或專業網站專題報道,在國際上引起重要反響和熱議。

此項研究於世界上首次發現了一種異常獨特的現象和機製,即液態金屬可在吞食少量物質後以可變形機器形態長時間高速運動,實現了無需外部電力的自主運動,從而為研製實用化智能馬達、血管機器人、流體泵送係統、柔性執行器乃至更為複雜的液態金屬機器人奠定了理論和技術基礎。

這種液態金屬機器完全擺脫了龐雜的外部電力係統,從而向研製自主獨立的柔性機器邁出了關鍵的一步。

研究揭示,置於電解液中的镓基液態合金可通過“攝入”鋁作為食物或燃料提供能量,實現高速、高效的長時運轉,一小片鋁即可驅動直徑約5 mm的液態金屬球實現長達1個多小時的持續運動,速度高達5cm/s。這種柔性機器既可在自由空間運動,又能於各種結構槽道中蜿蜒前行;令人驚訝的是,它還可隨沿程槽道的寬窄自行作出變形調整,遇到拐彎時則有所停頓,好似略作思索後繼續行進,整個過程仿佛科幻電影中的終結者機器人現身一般。

應該說,液態金屬機器一係列非同尋常的習性已相當接近一些自然界簡單的軟體生物,比如:能“吃”食物(燃料),自主運動,可變形,具備一定代謝功能(化學反應),因此作者們將其命名為液態金屬軟體動物。這一人工機器的發明同時也引申出“如何定義生命”的問題。

目前,實驗室根據上述原理已能製成不同大小的液態金屬機器,尺度從數十微米到數厘米,且可在不同電解液環境如堿性、酸性乃至中性溶液中運動。試驗和理論分析表明,此種自主型液態金屬機器的動力機製來自兩方麵:一是發生在液態合金、金屬燃料及電解液間的Galvanic電池效應會形成內生電場,從而誘發液態金屬表麵的高表麵張力發生不對稱響應,繼而對易於變形的液態金屬機器造成強大推力;與此同時,上述電化學反應過程中產生的氫氣也進一步提升了推力。正是這種雙重作用產生了超常的液態金屬馬達行為,這種能量轉換機製對於發展特殊形態的能源動力係統也具重要啟示意義。

可變形液態金屬機器在內含電解液的容器或各種槽道中的自主運動情形

自主型液態金屬機器所展示的人工軟體動物、實物馬達及其驅動流體情形

在迄今所發展的各種柔性機器中,自主型液態金屬機器所表現出的變形能力、運轉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。作為具體應用器件之一,論文還特別展示了首個無需外界電力的液態金屬泵,通過將其限定於閥座內,可達到自行旋轉並泵送流體的目的,據此可快速製造出大量微泵,滿足諸如藥液、陣列式微流體的輸運等,成本極低;若將此類柔型泵用作降溫,還可實現高度集成化的微芯片冷卻器;進一步的應用可發展成血管或腔道機器人甚至是可自我組裝的液態金屬智能機器等。

(二)液態金屬的優勢


 液態金屬是鋯、鈦、銅、鎳、鋁五種金屬的合金,液態金屬合金材料擁有獨特的非結晶分子結構,與傳統金屬的結晶結構截然不同,它最大的優勢在於熔融後塑形能力強,由於其凝固過程的物理特性與普通金屬完全不同,使它的鑄造過程更加類似於塑料而非金屬,可以更方便的打造為各種形態的產品。

液態金屬擁有極佳的熱膨脹係數(上圖綠色)和非晶體的冷卻萎縮優勢,上圖紅色是結晶冷卻時候的金屬體積減量,液態金屬的非晶體結構導致在冷卻的過程中原子之間空間並沒有因為冷卻而發生任何變化。


液體金屬的其他特性還包括:

1、高屈服強度

2、高硬度

3、優異的強度重量比

4、超高的彈性極限

5、抗腐蝕

6、高耐磨

7、獨特的聲學特性



曾經有一個實驗測試液態金屬的彈性。首先製造三個質量一樣的金屬球體,然後通過一樣的玻璃管道垂直落在三種不同的介質底座上,鋼,鈦,液態金屬。球體撞擊在底座之後會反彈,然後繼續撞擊,但每次高度都在衰減直到停止為止。鋼和鈦合金的底座反彈時間持續20-25秒,而液態金屬可以反彈球體1分鍾21秒,甚至最初的幾次金屬球會被彈出管道。




液態金屬的這種高彈性的特性,讓其可以應用在需要高彈性,高硬度,耐磨損,耐腐蝕的產品中。早先是做高爾夫球杆的杆頭,利用它彈性好的特性,可以把球擊得更遠。但是不幸的是,因為它易碎的關係,很多人花了大錢買回家之後,打沒多久突然就看到自已的杆頭“爆碎”。於是該生產公司投入資金改善合金的組成,並改善生產方式後,被美國陸軍拿來做穿甲彈的彈頭、被 NASA 拿來做 Genesis 宇宙飛船上的太陽風收集器、被 BP 拿來做鑽油平台的鑽頭。

它抗腐蝕性的能力也非常強,將Liquidmetal進行腐蝕鹽霧試驗超過336小時,它依然符合ASTM B-117標準。

液態金屬加工流程












 

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