CN107398547B - 一种自主性液态金属变形虫机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自主性液态金属变形虫机构，涉及柔性机器技术领域，所述机构包括：容器、石墨基底、液态金属和金属燃料；所述容器内盛放有电解液，所述石墨基底和添加有所述金属燃料的液态金属均设于所述电解液中，添加有所述金属燃料的液态金属设于所述石墨基底表面，以实现自主性变形和运动。本发明中通过在电解液中引入石墨基底与添加有金属燃料的自主性液态金属等多位一体的材料配合体系，首次实现了自主性液态金属变形虫机构，显著扩展了自驱动液态金属变形能力有限的问题，可用于制作自适应智能变形体、柔性执行器、天线、响应开关电路，以及用作更多人工机器。

Description

一种自主性液态金属变形虫机构
技术领域
本发明涉及柔性机器技术领域，特别涉及一种自主性液态金属变形虫机构。
背景技术
地球上的生物是数十亿年演化的产物，这些大自然的杰作往往以远超越人工机器复杂度的行为存在着。比如，我们知道，作为原生动物的直径约200～600微米的变形虫，可呈现各种顾名思义的形态变化，这类微小生物通常生活在清水池塘或在水流缓慢藻类较多的浅水中。活的大变形虫虽然内部结构比较简单，但其体形却可在不断地改变着，因而被称为变形虫。这种自主运动的变形虫行为，要采用人工方法制作出微型机构加以仿真，存在极大困难，这是因为当前的微/纳米加工主体仍然不易实现复杂结构的柔性体。而当柔性体达到较大尺寸时，要实现如变形虫一般的自主性体型变化能力更存在巨大困难。迄今，人类所制造的机器大多为刚体机器，且需要电源驱动。无需外界电力的柔性可变形自主性机器是智能机器领域的王冠，因此长期以来成为国内外竞相追逐的重大技术挑战。
2015年3月初，清华大学与中科院理化技术研究所联合研究小组，在《先进材料》上发表了题为“仿生型自驱动液态金属软体动物”的研究论文(J.Zhang,Y.Y.Yao,L.Sheng,J.Liu,Self-fueled biomimetic liquid metal mollusk,Advanced Materials,vol.27,pp.2648-2655,2015)，迅速被New Scientist、Nature研究亮点、Science新闻等数十个知名科学杂志或专业网站专题报道，在国际上引起重要反响和热议。该项研究于世界上首次发现了一种异常独特的现象和机制，即液态金属如镓基液态合金可在吞食少量物质如“摄入”铝作为燃料后以可变形机器形态长时间高速运动，实现了无需外部电力的自主运动，从而为研制实用化智能马达、血管机器人、流体泵送系统、柔性执行器乃至更为复杂的液态金属机器人奠定了理论和技术基础。应该说，液态金属机器一系列非同寻常的习性已相当接近一些自然界简单的软体生物，比如：能“吃”食物(燃料)，自主运动，可变形，具备一定代谢功能(化学反应)，因此作者们将其命名为液态金属软体动物。然而，研究小组在试验中也发现，由于液态金属表面张力极高，其在电解液内主要以球形的方式呈现，且总是沿着容器壁成顺时针运动，而变形则需要通过额外的结构如微小通道来实现，且变形幅度很小；一旦液态金属跨越障碍后，又迅速恢复至球形。也就是说，这种自驱动液态金属机器很难在基底表面上实现变形，而所呈现的形状也主要取决于槽道微结构自身形状。可以说，自驱动机器还达不到自然界中变形虫那样的自主性变形能力。
发明内容
鉴于上述问题，提出了本发明的用以克服以往自驱动液态金属机器难以自行变形的缺陷的一种自主性液态金属变形虫机构。
依据本发明的一个方面，提供了一种自主性液态金属变形虫机构，所述机构包括：容器、石墨基底、液态金属和金属燃料；
所述容器内盛放有电解液，所述石墨基底和添加有所述金属燃料的液态金属均设于所述电解液中，添加有所述金属燃料的液态金属设于所述石墨基底表面，以实现自主性变形和运动。
可选地，所述石墨基底的表面为光滑平面。
可选地，所述石墨基底的表面设有至少一种结构化图案槽道。
可选地，所述金属燃料为铝或银。
可选地，所述容器由玻璃或塑料制成。
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，所述液态金属的质量大于10mg。
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添加有金属燃料的自主性液态金属等多位一体的材料配合体系，首次实现了自主性液态金属变形虫机构，显著扩展了自驱动液态金属变形能力有限的问题，可用于制作自适应智能变形体、柔性执行器、天线、响应开关电路，以及用作更多人工机器。
附图说明
图1是本发明一种实施方式的自主性液态金属变形虫机构的结构示意图；
图2是石墨基底表面呈现的条状形自主性液态金属变形虫机构的示意图；
图3是石墨基底表面呈现的三叉形自主性液态金属变形虫机构的示意图；
图4是本发明一种实施方式的条状形自主性液态金属变形虫机构的实际变形图；
图5是本发明一种实施方式的三叉形自主性液态金属变形虫机构的实际变形图。
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自主性液态金属变形虫机构的结构示意图；参照图1，所述机构包括：容器1、石墨基底2、液态金属3和金属燃料4；
所述容器1内盛放有电解液5，所述石墨基底2和添加有所述金属燃料4的液态金属3均设于所述电解液5中，添加有所述金属燃料4的液态金属3设于所述石墨基底2表面，以实现自主性变形和运动。
本实施方式中通过在电解液中引入石墨基底与添加有金属燃料的自主性液态金属等多位一体的材料配合体系，首次实现了自主性液态金属变形虫机构，显著扩展了自驱动液态金属变形能力有限的问题，可用于制作自适应智能变形体、柔性执行器、天线、响应开关电路，以及用作更多人工机器。
若采用空间架构的石墨基底，可望将这种自主性液态金属变形虫单元扩展到三维，以组装出具有特殊造型和变形能力的仿生物机器；甚至，在外太空探索中的微重力或无重力环境下，本发明可实现的变形虫功能更强。
迄今，国内外文献中尚未见有在电解液环境中耦合液态金属、金属燃料与石墨来实现自主性变形的研究报道。本发明首次提供并建立了一种构建变形虫柔性机器的技术体系。
参照图1，当添加有金属燃料4的液态金属3接触石墨基底2时，在二者接触的接触面上会形成双电层，产生接触电势差，这个电势差使得液态金属3产生电毛细效应，表面张力减小，液态金属3以条形状或三叉形等形状沿石墨基底2表面变形和扩张，呈现出异常独特的仿佛甚至超越自然界中的变形虫那样的自主性大变形行为，由此即形成自主性液态金属变形虫机构。
图2反映的是图1所示的石墨基底表面呈现的条状形自主性液态金属变形虫机构的示意图；图3反映的是图1所示的石墨基底表面呈现的三叉形自主性液态金属变形虫机构的示意图。所述添加有金属燃料4的液态金属3与石墨基底2的接触电势差和接触面积可通过不同的槽道形状改变。如此，依据石墨槽道表面，还可产生更多复杂的变形虫行为。
可理解的是，石墨基底2的表面可为如图1所示的平滑表面，所述石墨基底2的表面上也可设有至少一种结构化图案槽道(未标出)。
由于培养皿便于放置所述石墨基底2和添加有金属燃料4的液态金属3，故而本实施方式中，所述容器1为培养皿。
本实施方式中，所述液态金属3包括但不限于镓基合金、铟基合金和铋基合金中的至少一种，当然，还可包括其他金属，本实施方式对此不加以限制。
为保证所述液态金属3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3所产生足够的变形，本实施方式中，所述液态金属5的质量大于10mg。
所述自主性液态金属中添加的金属燃料4可为铝、银等的颗粒或薄片。
本实施方式中，所述电解液5包括氢氧化钠、氢氧化钾、氯化钠、硫酸和硝酸中的至少一种。
在具体实现中，所述液态金属4的质量可为20g，所述液态金属4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。
由于有些液态金属4的熔点高于常温，为保证该液态金属4处于液态，以实现自主性液态金属变形虫，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5进行加热，从而提高所述电解液5的温度，保证所述液态金属4处于液态。
故而，所述液态金属4的质量还可为50g，所述液态金属4还可为熔点60℃的铋铟锡合金，所述电解液5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5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5中，且所述铋铟锡合金与所述石墨2的侧面相接触。
图4是本发明一种实施方式的条状形自主性液态金属变形虫机构的实际变形过程图；图5是本发明一种实施方式的三叉形自主性液态金属变形虫机构的实际变形过程图；这些试验结果均显示了本发明的自主性液态金属变形虫的实际效果。
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 (10)

1.一种自主性液态金属变形虫机构，其特征在于，所述机构包括：容器、石墨基底、液态金属和金属燃料；
所述容器内盛放有电解液，所述石墨基底和添加有所述金属燃料的液态金属均设于所述电解液中，添加有所述金属燃料的液态金属设于所述石墨基底表面，以实现自主性变形和运动。
2.如权利要求1所述的自主性液态金属变形虫机构，其特征在于，所述石墨基底的表面为光滑平面。
3.如权利要求1所述的自主性液态金属变形虫机构，其特征在于，所述石墨基底的表面设有至少一种结构化图案槽道。
4.如权利要求1所述的自主性液态金属变形虫机构，其特征在于，所述金属燃料为铝或银。
5.如权利要求1所述的自主性液态金属变形虫机构，其特征在于，所述容器由玻璃或塑料制成。
6.如权利要求1～5中任一项所述的自主性液态金属变形虫机构，其特征在于，所述机构还包括：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中任一项所述的自主性液态金属变形虫机构，其特征在于，所述液态金属的熔点低于100℃。
8.如权利要求7所述的自主性液态金属变形虫机构，其特征在于，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。
9.如权利要求1～5中任一项所述的自主性液态金属变形虫机构，其特征在于，所述液态金属的质量大于10mg。
10.如权利要求1～5中任一项所述的自主性液态金属变形虫机构，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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