近年來，擁有高度安全性和環(huán)境適應(yīng)性的軟體機(jī)器人在各種應(yīng)用場景中日益展現(xiàn)出巨大潛力。其具有如生命體系一般的柔順靈活性，能感知環(huán)境和自身狀態(tài)，以及運動順應(yīng)可控等優(yōu)勢，引發(fā)業(yè)界競相探索。相較其他傳感或執(zhí)行器，基于電磁場調(diào)控的功能單元更具有可集成潛力，在緩解機(jī)器人臃腫軀體實現(xiàn)減負(fù)方面價值獨特。為此，柔性線圈在軟體機(jī)器人領(lǐng)域引人矚目，然而由于來自其傳統(tǒng)稀疏結(jié)構(gòu)和制造技術(shù)上的挑戰(zhàn)，限制了進(jìn)一步的應(yīng)用。

中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所與北京林業(yè)大學(xué)聯(lián)合團(tuán)隊提出了一種可變形的高密度三維曲面液態(tài)金屬線圈（HD-LMC）技術(shù)，在突破了剛性線圈限制的同時，實現(xiàn)了柔性執(zhí)行、感知與通訊功能一體化集成，為發(fā)展軟體機(jī)器人技術(shù)開辟新的途徑。相應(yīng)研究成果近日以Transformable 3D curved high-density liquid metal coils – an integrated unit for general soft actuation, sensing and communication為題發(fā)表在Nature Communications上，并被選為Devices專欄中50篇最佳亮點文章之一。文章第一作者為理化所21級博士生李楠，通訊作者為理化所劉靜研究員和北林王磊副教授。

此項研究不僅為液態(tài)金屬基多維復(fù)雜柔性電子的應(yīng)用提供了理論和技術(shù)基礎(chǔ)（圖1），也預(yù)示著液態(tài)金屬集成機(jī)器人體系正逐步成形。HD-LMC的高密度、多功能和柔性設(shè)計的特性，使其在環(huán)境感知、通信和驅(qū)動等方面具有獨特的優(yōu)勢（圖2），未來有望在醫(yī)療、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等多個領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

理化所劉靜團(tuán)隊長期致力于液態(tài)金屬可變形機(jī)器人探索，特別是，他們在液態(tài)金屬電控多變形現(xiàn)象（Adv. Mater., 2014，26，6036）以及液態(tài)金屬自驅(qū)動軟體機(jī)器效應(yīng)（Adv. Mater., 2015, 27, 2648）等方面的發(fā)現(xiàn)，一度引發(fā)世界范圍廣泛矚目，而研究小組關(guān)于液體集成理論的提出（AISY., 2019, 1900017），為發(fā)展集成化柔性機(jī)器人乃至研制更為復(fù)雜且貼近生活的智能機(jī)器人打開了新的視野，此次HD-LMC機(jī)器人研究和應(yīng)用正是此方面的一個延續(xù)。此前，研究小組還在多年探索液態(tài)金屬可變形機(jī)器原理的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)提出了旨在構(gòu)筑未來人形機(jī)器人的液態(tài)金屬基本要素和設(shè)計思想，為人形機(jī)器人進(jìn)一步柔性化、敏捷化以及更加類人化、智能化構(gòu)建了新的發(fā)展藍(lán)圖和技術(shù)路線，相應(yīng)的前瞻性評述文章以Bioinspired Liquid Metal based Soft Humanoid Robots為題發(fā)表在Advanced Materials上，并被期刊選為內(nèi)背封面故事。文章第一作者為21級博士生李楠，通訊作者為劉靜研究員。

在該論文中，作者系統(tǒng)剖析了液態(tài)金屬及其衍生功能材料在突破柔性仿生機(jī)器人技術(shù)上的巨大潛力（圖3），總結(jié)了液態(tài)金屬在構(gòu)建類人機(jī)器人中的多面手角色——可作為柔性傳感器、執(zhí)行器、動力源、邏輯單元、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，甚至是可變形骨骼等（圖4）。文章指出，充分集成這些組元與剛?cè)嵯酀?jì)性機(jī)構(gòu)，并借助液態(tài)金屬的獨特屬性，可以開發(fā)出多功能且靈活敏捷的機(jī)器人，從而更好地滿足人類需求。這一從傳統(tǒng)金屬框架向類似生物有機(jī)體的混合式軟硬結(jié)構(gòu)的過渡，有望在人形機(jī)器人設(shè)計與制造領(lǐng)域引發(fā)新的變革。

圖1 高密度液態(tài)金屬功能線圈集成單元的基本特性

圖2 液態(tài)金屬高密度曲面線圈在傳感執(zhí)行器中具有多面手功能可集成優(yōu)點

圖3 未來人形機(jī)器人的進(jìn)化路線

圖4 人形機(jī)器人中的液態(tài)金屬單元及其各種潛在應(yīng)用總結(jié)

原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-51648-4

??????????https://doi.org/10.1002/adma.202404330