“机器人”i-Refill | 机器人液化“越狱”成真，灵感来自海参

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来源：IDG资本

来自中山大学广东省传感技术与生物医疗仪器重点实验室、浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室、和卡耐基梅隆大学软体机器人实验室的研究小组于不久前在Cell旗下期刊Matter上合作公布了最新研究成果，他们利用了一种叫磁活性相变物质（MPTM）的材料，研发出了能在固体和液体之间变换形态，并且还会受到一定的磁力控制的机器人雏形。

在研究团队公布的视频中，他们用和电影里类似的穿越牢笼的场景来致敬了《终结者2》，只见小人形状的机器人被关在“监狱里”，找到合适的角度后开始加热自身，熔化成液态。

成功“越狱”后竟然又重塑自身，恢复原型。

网友看过后觉得，这个再加上时下正火的AI聊天机器人，似乎我们正在走向电影里描绘的那个2029年。

不过这个研究中的机器人不是穿越时空来追杀人类反抗军领袖的，而是目标应用在医疗、工业等领域。

01 受海参启发

根据我们惯常知道的，刚性和柔韧灵活的变形无法同时存在。对现有的材料来说，这两种性质很难兼备。比如，金属一类具有坚硬外观的材料，往往熔点非常高。在高温下虽然能够熔化为自由流动的液态，但一方面加热熔化需要耗费相当大的能量和时间，另一方面高温的熔融金属也只能待在特制的耐热坩埚里，无法进行灵活的形状改变。

令人意想不到的是，研究团队表示这个用MPTM制作的“机器人”的研究灵感来自于自然界中的海参。

海参虽然属于软体动物，但它可以在一定范围内自由改变身体的硬度。其背后原理是改变富含蛋白的原纤维间基质的硬度，以提高其承载能力。这一招可以有效防止环境对其造成的物理损害。

传统材料想要像电影里的T1000一样真正实现“刚柔并济”，基本不可能。但依然有一些材料，可以在保有高度柔软性的同时具有一定程度的刚性。

只是之前的此类材料（当然也包括海参的身体结构一样），存在一个未解决的关键问题，就是他们无法像钢铁等材料那样，能维持刚性金属状态下的坚硬形状，也无法抵御有些材料所能承受的拉伸、剪切以及扭转等各种力学压力。也就是说，以往的磁性机器人材质要么是硬邦邦的固体磁性弹性体，要么是黏糊糊的液体材料。

但完成本次研究的团队却制成了一种可以很容易转换刚柔两种状态，还能在刚性状态下拥有金属一样机械强度的材料，就是MPTM。

同理，这个机器人也能够自由切换液态和固态，只不过背后是由磁场驱动。

MPTM由嵌入镓（一种熔点很低的金属）中的磁性粒子组成，不但具有高机械强度、高负载能力，还能快速运动、有强大的可控性强和形态适应性。

只需通过交变磁场加热和环境冷却，就能使MPTM在固态和液态之间实现可逆转换。

实验证明，由这种材质制造出的机器人在两种形态中都有很好的表现：

固体形态时，该机器人的机械强度达到了强度21.2MPa，刚度1.98GPa，能承受自身重量30倍的物体。嵌入的微粒子的稳定磁化也使其具有更灵活的移动性，移动速度最快可达1.5m/s；

液体形态时，由于磁性微粒能旋转和重新定向它们的磁极，该机器人可以自由实现伸长、分裂和合并。

甚至，研究人员还使用更强的磁场将磁性粒子向上拉，使机器人学会了跳跃。

在操作上，由于MPTM的复合材料的熔点接近室温，当研究团队使用交变磁场时，液态金属中的电子会形成电流，这些流过机器人身体的电流将其加热并最终使其熔化。

在自然冷却后，液化的机器人又会重新变回类似金属的固体。

就像前文展示的一样，这款能在固态和液态之间相对自由转换的机器人，未来有望用于医疗保健、精准的货物运输、电子修复等领域。

比如，如果做成微型机器人，可以到人类体内清除异物，在磁力作用下，进入胃部后变成液态包裹住异物一起带走，再通过磁场控制凝固，并引导携带异物的MPTM离开人体。

工业上，它可以变成一颗灵活的螺丝钉，完美适应不同形状不同尺寸的螺丝孔，并承受10kg的重量。

又或者把自己当做焊料自动组装电路，成功点亮灯泡。

02 软体机器人研究爆发，多个科幻点子“成真”

液态金属机器人研究，始于2014年。

中国科学院理化技术研究所与清华大学联合研究小组首次揭示了液态金属的可逆形态切换行为，登上Advanced Materials期刊封面，引起重大反响，成为这一领域的开端。

下一个里程碑，是同一团队发现液态金属具有类似生物细胞吞噬外界颗粒的行为，“吞食”铝片后就可获得能量，实现了液态金属机器人的自主驱动。

近年来，镓合金材料、3D打印技术的成熟，让液态金属机器人研究进一步爆发。

论移动速度可以达到70体长/秒，某种意义上比地球上最快的陆地动物猎豹还快（23 体长/秒）。论变形和恢复能力也几乎达到了电影中描绘的任意变形。

不过还有存在一个问题是难以精确控制，从而难以进入实际应用。

这次最新研究的共同一作潘程枫表示“让机器人能够在液态和固态之间切换，赋予了它们更多的功能”。

完成这项研究时，潘程枫所在单位为流体动力与机电系统国家重点实验室及卡耐基梅隆大学，后来到了港中文大学做博士后。在港中文，他还参与了另一种可执行可逆性伸缩变形、弯曲和按需运动的软体机器人研究，这一次则是受水蛭伸缩能力的启发。

这项研究的合作者港中大教授张立，还开发了像漫威“毒液”一样的粘液机器人。

虽然目前的研究在精准控制方面，尚没有达到可以实用的级别，但科幻电影里的场景正在通过科学研究变为现实这一点，是不是也足以让你兴奋期待呢？

参考资料：https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(22)00693-2

https://techxplore.com/news/2023-01-person-shaped-robot-liquify-power-magnets.html

https://mp.weixin.qq.com/s/DXNCTuFTLZi3Dg10SGI_JA

https://mp.weixin.qq.com/s/auP67uP6aZlEgbqeplaJMA