CN107398546B - 一种反重力可变形液态金属机器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种反重力可变形液态金属机器，涉及柔性机器技术领域，本发明中通过在电解液中引入石墨基底与电控液态金属等多位一体的独特的材料配合体系，首次实现了逆着重力方向运动的反重力可变形液态金属机器，显著扩展了以往玻璃容器内电控下液态金属智能在平面变形的能力，可用于制作立体液态金属变形体、柔性执行器、天线、开关电路，以及用作微流体阀、泵或更多人工机器，控制目标流体或传感器的定向运动等。
Description
技术领域
本发明涉及柔性机器技术领域，特别涉及一种反重力可变形液态金属机器。
背景技术
迄今，大多数的机器人均是作为一种刚体机器发挥作用的。实现能在不同形态之间自由转换的可变形柔性智能机器，以执行常规技术难以完成的更为特殊高级的任务，是科学界与工程界长久以来的梦想，相应技术在军事、民用、医疗与科学探索中极具重大理论意义和应用前景。比如，在抗震救灾或军事行动中，此类机器人应能根据需要适时变形，以穿过狭小的通道、门缝乃至散布于建筑物中的空隙，之后再重新恢复原形并继续执行任务。在最为高级的机器人中，具备可变形性和柔性特征是极为关键的一环。也因如此，国际上一直在努力寻找可改变材料形状的技术，以构建出对应的机器人设计蓝图。不过，由于受到来自材料特别是技术理念的限制，有关研究尚处于积极的推进之中。
2014年初，中科院理化技术研究所与清华大学联合研究小组，首次发现电场控制下液态金属与水的复合体可在各种形态及运动模式之间发生转换的基本现象，相应研究发表于Advanced Materials上(L.Sheng,J.Zhang,J.Liu,Diverse transformation effectsof liquid metal among different morphologies.Advanced Materials,vol.26,pp.6036-6042,2014；先进材料，不同构象之间的液态金属多变形性)。试验揭示，浸没于水中的液态金属对象可在低电压作用下呈现出大尺度变形、自旋、定向运动；若适当调整电极和流道，还可将液态金属的运动方式转为单一的快速定向移动。由于上述发现的科学突破性和实际应用价值，论文发表后很快就在国际上引起重大反响及广泛热烈的讨论，一度被多达上百个科学或专业英文网站予以专题报道和评介。业界普遍认为，这一“液体机器预示着柔性机器人的新时代”。然而，研究小组在试验中发现，由于电场力幅度较小，要通过电极控制液态金属，很难实现液态金属逆着重力方向的运动，也就是说，若容器底部与地面呈现哪怕很小的角度后，液态金属在电极的作用下均很难爬行。这一定程度上限制了液态金属变形机器的运动维度。
发明内容
鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题的反重力可变形液态金属机器。
依据本发明的一个方面，提供了一种反重力可变形液态金属机器，所述机器包括：容器、石墨基底、电流产生单元和液态金属；
所述容器内盛放有电解液，所述石墨基底的上表面与水平面呈预设角度，所述石墨基底的上表面和液态金属均设于所述电解液中，所述电流产生单元用于为所述液态金属提供电流，以使所述液态金属在电流作用下实现反重力运动。
可选地，所述电流产生单元包括：电源和控制电极对，所述电源与所述控制电极对相连，所述控制电极对产生电流。
可选地，所述电流产生单元包括：电源和控制电极阵列，所述电源与所述控制电极阵列相连，所述控制电极阵列产生电流。
可选地，所述石墨基底的上表面为光滑平面。
可选地，所述石墨基底的上表面设有至少一种结构化图案槽道。
可选地，所述机器还包括：加热单元，所述加热单元用于对所述电解液进行加热。
可选地，所述容器由玻璃或塑料制成。
可选地，所述液态金属的熔点低于100℃。
可选地，所述液态金属包括：镓基合金、铟基合金和铋基合金中的至少一种。
可选地，所述电解液包括氢氧化钠、氢氧化钾、氯化钠、硫酸和硝酸中的至少一种。
本发明中通过在电解液中引入石墨基底与电控液态金属等多位一体的独特的材料配合体系，首次实现了逆着重力方向运动的反重力可变形液态金属机器，显著扩展了以往玻璃容器内电控下液态金属智能在平面变形的能力，可用于制作立体液态金属变形体、柔性执行器、天线、开关电路，以及用作微流体阀、泵或更多人工机器，控制目标流体或传感器的定向运动等。
附图说明
图1是本发明一种实施方式的反重力可变形液态金属机器的结构示意图；
图2a是石墨基底的上表面为光滑平面的结构示意图；
图2b是石墨基底的上表面设有的第一种结构化图案槽道；
图2c是石墨基底的上表面设有的第二种结构化图案槽道；
图3a是本发明一种实施方式的反重力可变形液态金属机器的示意图；
图3b是反重力可变形液态金属机器的实际运行图；
图3c是液态金属的受力示意图；
图3d是液态金属的爬行距离与时间之间的关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
图1是本发明一种实施方式的反重力可变形液态金属机器的结构示意图；参照图1，所述机器包括：容器1、石墨基底6、电流产生单元和液态金属5；
所述容器1内盛放有电解液4，所述石墨基底6的上表面与水平面呈预设角度，所述石墨基6底的上表面和液态金属6均设于所述电解液4中，所述电流产生单元用于为所述液态金属5提供电流，以使所述液态金属5在电流下实现反重力运动。
本实施方式中通过在电解液中引入石墨基底与电控液态金属等多位一体的独特的材料配合体系，首次实现了逆着重力方向运动的反重力可变形液态金属机器，显著扩展了以往玻璃容器内电控下液态金属智能在平面变形的能力，可用于制作立体液态金属变形体、柔性执行器、天线、开关电路，以及用作微流体阀、泵或更多人工机器，控制目标流体或传感器的定向运动等。
若采用空间架构的电极控制与石墨基底结合，可望将这种液态金属机器扩展到三维，以组装出具有特殊造型和可编程能力的仿生物或人形机器；甚至，在外太空探索中的微重力或无重力环境下，本实施方式可实现的变形功能更强。
迄今，国内外文献中尚未见有在电解液环境中耦合外界电极操纵石墨基底表面的液态金属来实现反重力可变形液态金属机器的研究报道，本实施方式借助石墨与液态金属复合功能的突破性发现，首次提供并建立了一种构建反重力可变形液态金属机器的柔性机器技术体系。
为实现向所述液态金属5提供电流，本实施方式中，所述电流产生单元包括：电源3和控制电极对2，所述电源3与所述控制电极对2相连，所述控制电极对2产生电流。
为实现向所述液态金属5提供更强的电流，本实施方式中，所述电流产生单元包括：电源和控制电极阵列(未示出)，所述电源与所述控制电极阵列相连，所述控制电极阵列产生电流，其中，所述控制电极阵列由多对控制电极对，例如：6对控制电极对，当然，还可采用其他数量的控制电极对，例如：4对、5对或7对，本实施方式对此不加以限制。
参照图1，未开启电极电压时，当液态金属5接触石墨基底6时，在二者接触的接触面上形成双电层，产生接触电势差，这个电势差使得液态金属5产生电毛细效应，表面张力减小，液态金属5以扁平形状贴附于石墨表面；此时，一旦开启电极电压，液态金属即在电流的作用下研制石墨坡度向上爬行，与此同时，还依据电极的形状发生变形，由此即形成反重力可变形液态金属机器。
参照图2a，所述石墨基底的上表面可为光滑平面。
参照图2b～2c，所述液态金属5与石墨基底6的接触电势差和接触面积可通过不同的槽道形状改变，同样可借助电极实现不同的反重力方向变形和爬行。如此，依据电极电压及石墨基底的槽道表面，即可产生可编程的反重力方向运动和变形。
可理解的是，石墨基底6的上表面设有至少一种结构化图案槽道，例如：参照图2b～2c，石墨基底6的上表面设有各种结构化图案槽道61、62。
为延长容器1的使用寿命，本实施方式中，所述容器1由玻璃或塑料制成，由于培养皿便于放置所述石墨基底6和液态金属5，故而，本实施方式中，所述容器1采用培养皿。
由于有些液态金属5的熔点高于常温，为保证该液态金属5处于液态，以实现反重力方向变形和爬行，本实施方式中，所述装置还包括：加热单元(未示出)，所述加热单元用于对所述电解液4进行加热，从而提高所述电解液4的温度，保证所述液态金属5处于液态。
为保证所述液态金属5处于液态，故而，所述液态金属5通常采用低熔点金属，也就是说，所述液态金属5的熔点低于100℃。
为保证所述液态金属5所产生的反重力方向变形和爬行，本实施方式中，所述液态金属5的质量大于10mg。
为保证所述液态金属5和石墨基底6的接触面上形成双电层，本实施方式中，所述电解液4包括氢氧化钠、氢氧化钾、氯化钠、硫酸和硝酸中的至少一种。
所述液态金属包括：镓基合金、铟基合金和铋基合金中的至少一种，在具体实现中，所述液态金属5的质量可为20g，所述液态金属5可为熔点11℃的镓铟锡合金，电解液可为0.5mol/L的氢氧化钠溶液，可理解的是，由于熔点11℃的镓铟锡合金在常温状态下为液态，故而，无需进行加热即可实现。
故而，所述液态金属5的质量还可为50g，所述液态金属5还可为熔点60℃的铋铟锡合金，所述电解液4还可为浓度为0.3mol/L的氢氧化钠溶液，在开启加热单元后，能够使得电解液4的温度升至70℃，从而使铋铟锡合金变为液态并浸没于电解液4中，且所述铋铟锡合金与所述石墨基底6的侧面相接触。
图3a是本发明一种实施方式的反重力可变形液态金属机器的示意图，结果证实了本发明的实际效果。图3b显示了从0s到34s过程中，液态金属5在电极作用下逆着重力方向爬上石墨基底6的情形，与此同时，还不断变形(图3b右上角小图)。图3c表明在石墨基底、电极组合下，液态金属可克服重力向上爬行和变形。图3d给出了一组测得的爬行距离与时间的关系，由此还可推算出爬行速度。系列试验展示了反重力可变形液态金属机器的能力和可控性。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (9)
1.一种反重力可变形液态金属机器，其特征在于，所述机器包括：容器、石墨基底、电流产生单元和液态金属；
所述容器内盛放有电解液，所述石墨基底的上表面与水平面呈预设角度，所述石墨基底的上表面和液态金属均设于所述电解液中，所述电流产生单元用于为所述液态金属提供电流，以使所述液态金属在电流作用下实现反重力运动；其中，所述液态金属和所述石墨基底的接触面上形成双电层；所述液态金属包括：镓基合金、铟基合金和铋基合金中的至少一种。
2.如权利要求1所述的反重力可变形液态金属机器，其特征在于，所述电流产生单元包括：电源和控制电极对，所述电源与所述控制电极对相连，所述控制电极对产生电流。
3.如权利要求1所述的反重力可变形液态金属机器，其特征在于，所述电流产生单元包括：电源和控制电极阵列，所述电源与所述控制电极阵列相连，所述控制电极阵列产生电流。
4.如权利要求1所述的反重力可变形液态金属机器，其特征在于，所述石墨基底的上表面为光滑平面。
5.如权利要求1所述的反重力可变形液态金属机器，其特征在于，所述石墨基底的上表面设有至少一种结构化图案槽道。
6.如权利要求1～5中任一项所述的反重力可变形液态金属机器，其特征在于，所述机器还包括：加热单元，所述加热单元用于对所述电解液进行加热。
7.如权利要求1～5中任一项所述的反重力可变形液态金属机器，其特征在于，所述容器由玻璃或塑料制成。
8.如权利要求1～5中任一项所述的反重力可变形液态金属机器，其特征在于，所述液态金属的熔点低于100℃。
9.如权利要求1～5中任一项所述的反重力可变形液态金属机器，其特征在于，所述电解液包括氢氧化钠、氢氧化钾、氯化钠、硫酸和硝酸中的至少一种。
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