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液態(tài)金屬
不定型金屬
金屬特性
液態(tài)金屬在砂型中流動時呈現(xiàn)出如下水力學特性：
1.粘性流體流動：液態(tài)金屬是有粘性的流體。液態(tài)金屬的粘性與其成分有關，在流動過程中又隨液態(tài)金屬溫度的降低而不斷增大，當液態(tài)金屬中出現(xiàn)晶體時，液體的粘度急劇增加，其流速和流態(tài)也會發(fā)生急劇變化。
2.不穩(wěn)定流動：在充型過程中液態(tài)金屬溫度不斷降低而鑄型溫度不斷增高，兩者之間的熱交換呈不穩(wěn)定狀態(tài)。隨著液流溫度下降，粘度增加，流動阻力也隨之增加；加之充型過程中液流的壓頭增加或和減少，液態(tài)金屬的流速和流態(tài)也不斷變化，導致液態(tài)金屬在充填鑄型過程中的不穩(wěn)定流動。
3.多孔管中流動：由于砂型具有一定的孔隙，可以把砂型中的澆注系統(tǒng)和型腔看作是多孔的管道和容器。液態(tài)金屬在“多孔管”中流動時，往往不能很好地貼附于管壁，此時可能將外界氣體卷入液流，形成氣孔或引起金屬液的氧化而形成氧化夾渣。
4.紊流流動：生產(chǎn)實踐中的測試和計算證明，液態(tài)金屬在澆注系統(tǒng)中流動時，其雷諾數(shù)Re大于臨界雷諾數(shù)Re臨，屬于紊流流動。例如ZL104合金在670℃澆注時，液流在直徑為20mm的直澆道中以50cm/s的速度流動時，其雷諾數(shù)為25000，遠大于2300的臨界雷諾數(shù)。對一些水平澆注的薄壁鑄件或厚大鑄件的充型，液流上升速度很慢，也有可能得到層流流動。輕合金優(yōu)質鑄件澆注系統(tǒng)的研究表明，當Re<20000時，液流表面的氧化膜不會破碎，如果將雷諾數(shù)控制在4000～10000，就可以符合生產(chǎn)鋁合金和鎂合金優(yōu)質鑄件的要求。有人通過水力模擬和鋁合金鑄件的實澆試驗證明：允許的最大雷諾數(shù)，在直澆道內應不超過10000，橫澆道內不超過7000，內澆道內不超過1100，型腔內不超過280。綜上分析，影響金屬液流動的平穩(wěn)性的主要因素是金屬液的流動速度和澆注系統(tǒng)的形狀及截面尺寸。
研究
和簡單的非金屬液體有許多共同點，20世紀60年代以來對它研究較多。但人們對它的結構細節(jié)仍不清楚。熔融金屬的X射線或中子散射可得其徑向分布函數(shù)g(r)，它在平均意義上描述熔體結構。當r<σ(σ為原子有效直徑，圖1)，g(r)=0，說明原子似硬球，不能互相貫穿，r大于2～3nm時，原子完全無規(guī)排列,g(r)→1。原子周圍最近鄰的原子數(shù)叫配位數(shù)Z，其中ρ0是熔體粒子數(shù)密度。絕大多數(shù)金屬熔化時體積約增大5%，原子序數(shù)Z減小，金屬鍵不變。少數(shù)“反常金屬”（如Ga、Ge、Bi、Sb等）熔化時體積約收縮5%，Z增加，共價鍵部分地變?yōu)榻饘冁I。各種金屬熔化后結構趨于相近，Z在9～12左右。熔體的Z和r隨溫度上升而稍改變，但g(r)基本特點不變。
液態(tài)金屬可看作由正離子流體和自由電子氣組成的混合物。自由電子受到“贗原子”（它由正離子和起屏蔽作用的自由電子云組成）的很弱的勢作用。兩個正離子間，除了直接的靜電排斥勢外，還有一種間接的通過自由電子氣而相互作用的勢，上述兩種勢的疊加稱為原子-原子的有效勢φ(r)。理論分析指出：φ(r)在長程內有振蕩（圖2）。人們已建立聯(lián)系φ(r)和g(r)的積分方程，可以從φ(r)求解g(r)，或從g(r)求期φ(r)。用“硬球模型”可很好地闡明液態(tài)金屬的結構和某些熱力學性質。倘若取φ(r)為“硬球勢”，并配以合適的硬球直徑，同樣能得到與實驗一致的g(r)。通過傅里葉變換由衍射強度求得的g(r)總有一定誤差，人們至今不能肯定或否定熔體φ(r)振蕩的存在。
技術
中國液態(tài)金屬變形技術
《不同構象之間的液態(tài)金屬多變形性》論文，揭示出室溫液態(tài)金屬具有可在不同形態(tài)和運動模式之間轉換的普適變形能力。比如，浸沒于水中的液態(tài)金屬對象可在低電壓作用下呈現(xiàn)出大尺度變形、自旋、定向運動，乃至發(fā)生液球之間的自動融合、斷裂-再合并等行為，且不受液態(tài)金屬對象大小的限制；較為獨特的是，一塊很大的金屬液膜可在數(shù)秒內即收縮為單顆金屬液球，變形過程十分快速，而表面積改變幅度可高達上千倍；此外，在外電場作用下，大量彼此分離的金屬液球可發(fā)生相互粘連及合并，直至融合成單一的液態(tài)金屬球；依據(jù)于電場控制，液態(tài)金屬極易實現(xiàn)高速的自旋運動，并在周圍水體中誘發(fā)出同樣處于快速旋轉狀態(tài)下的漩渦對；若適當調整電極和流道，還可將液態(tài)金屬的運動方式轉為單一的快速定向移動。研究表明，造成這些變形與運動的機制之一在于液態(tài)金屬與水體交界面上的雙電層效應。以上豐富的物理學圖景革新了人們對于自然界復雜流體、軟物質特別是液態(tài)金屬材料學行為的基本認識。這些超越常規(guī)的物體構象轉換能力很難通過傳統(tǒng)的剛性材料或流體介質實現(xiàn)，它們事實上成為用以構筑可變形智能機器的基本要素，為可變形體特別是液體機器的設計和制造開辟了全新途徑。
成就
劉靜小組的發(fā)現(xiàn)，為可變形材料特別是液體機器的設計和制造邁出了關鍵性的一步，一定程度上從理論和技術的層面論證了實現(xiàn)液態(tài)金屬機器人的可能性；事實上，該研究已打開了系列已趨現(xiàn)實的應用范疇，如制造柔性執(zhí)行器，控制目標流體或傳感器的定向運動、金屬液體回收，以及用作微流體閥、泵或更多人工機器等。若采用空間架構的電極控制，還可望將這種智能液態(tài)金屬單元擴展到三維，以組裝出具有特殊造型和可編程能力的仿生物或人形機器；甚至，在外太空探索中的微重力或無重力環(huán)境下，也可發(fā)展對應的機器來執(zhí)行相應任務。
中國研制出世界首臺自主運動可變形液態(tài)金屬機器
原標題：中科院與清華聯(lián)合研制出世界首臺自主運動可變形液態(tài)金屬機器
中國科學家造出了世界首臺液態(tài)金屬機器，這一成就被外媒形容為制造出“終結者”。
據(jù)中科院理化所網(wǎng)站，3月3日，由劉靜研究員帶領的中國科學院理化技術研究所、清華大學醫(yī)學院聯(lián)合研究小組，在Advanced Materials上發(fā)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(shù)十個知名科學雜志或專業(yè)網(wǎng)站專題報道，在國際上引起重要反響和熱議。
此項研究于世界上首次發(fā)現(xiàn)了一種異常獨特的現(xiàn)象和機制，即液態(tài)金屬可在吞食少量物質后以可變形機器形態(tài)長時間高速運動，實現(xiàn)了無需外部電力的自主運動，從而為研制實用化智能馬達、血管機器人、流體泵送系統(tǒng)、柔性執(zhí)行器乃至更為復雜的液態(tài)金屬機器人奠定了理論和技術基礎。這是該小組繼首次發(fā)現(xiàn)電控可變形液態(tài)金屬基本現(xiàn)象(Sheng et al., Advanced Materials, 2014,封面文章；Zhang et al., Scientific Reports, 2014)之后的又一突破性發(fā)現(xiàn)。
這種液態(tài)金屬機器完全擺脫了龐雜的外部電力系統(tǒng)，從而向研制自主獨立的柔性機器邁出了關鍵的一步。文章被選為期刊內前封面故事，Altmetric計量學數(shù)據(jù)顯示其指數(shù)已達71.0，遠高于期刊平均值6.7，在同時期論文中則排名No.1。
研究揭示，置于電解液中的鎵基液態(tài)合金可通過“攝入”鋁作為食物或燃料提供能量，實現(xiàn)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(tài)金屬球實現(xiàn)長達1個多小時的持續(xù)運動，速度高達5cm/s。這種柔性機器既可在自由空間運動，又能于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，好似略作思索后繼續(xù)行進，整個過程仿佛科幻電影中的終結者機器人現(xiàn)身一般。
應該說，液態(tài)金屬機器一系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(tài)金屬軟體動物。這一人工機器的發(fā)明同時也引申出“如何定義生命”的問題。
目前，實驗室根據(jù)上述原理已能制成不同大小的液態(tài)金屬機器，尺度從數(shù)十微米到數(shù)厘米，且可在不同電解液環(huán)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(tài)金屬機器的動力機制來自兩方面：一是發(fā)生在液態(tài)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(fā)液態(tài)金屬表面的高表面張力發(fā)生不對稱響應，繼而對易于變形的液態(tài)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(chǎn)生的氫氣也進一步提升了推力。正是這種雙重作用產(chǎn)生了超常的液態(tài)金屬馬達行為，這種能量轉換機制對于發(fā)展特殊形態(tài)的能源動力系統(tǒng)也具重要啟示意義。
可變形液態(tài)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
在迄今所發(fā)展的各種柔性機器中，自主型液態(tài)金屬機器所表現(xiàn)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(tài)金屬泵，通過將其限定于閥座內，可達到自行旋轉并泵送流體的目的，據(jù)此可快速制造出大量微泵，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(xiàn)高度集成化的微芯片冷卻器；進一步的應用可發(fā)展成血管或腔道機器人甚至是可自我組裝的液態(tài)金屬智能機器等。
刊載上述首創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)的文章在線發(fā)表后，短時間內即引起世界范圍內眾多科學雜志、專業(yè)網(wǎng)站和新聞媒體的高度重視。New Scientist在第一時間以文章和精心制作的視頻進行了報道：“液態(tài)金屬朝可變形機器人邁進一步(Liquid metal brings shape-shifting robot a step closer)”指出其“將成為今后電影中人工生命的種子(Such liquid robots will be a seed of artificial life seen in some movies)”；Nature雜志在其研究亮點欄目以“液態(tài)金屬馬達靠自身運動(Liquid metal motor moves by itself)”為題進行了報道；Science網(wǎng)站發(fā)布觀察文章和視頻：“可變形金屬馬達擁有一系列用途(Shape-shifting metal motor has a variety of uses)”；路透社也對此進行了專門報道。
液態(tài)金屬
眾多報道此項工作的科學雜志或專業(yè)網(wǎng)站還有，物理學家組織網(wǎng)站：“可在液體中自行驅動的可變形液態(tài)金屬(Shape shifting liquid metal able to propel itself through liquids)”；化學和工程新聞C&EN：“旋轉的液態(tài)金屬馬達(Rolling Out Liquid-Metal Motors)”；Uncover California：“世界首個液態(tài)金屬機器人(World's First Liquid Metal Robot)”；Siliconrepublic：“首個終結者型液態(tài)馬達問世，具無限潛力(First Terminator-1000-like liquid motor developed with unlimited potential)”；鏡報mirror：“真實的終結者1000液態(tài)金屬馬達(real-life-t-1000-liquid-metal-motor)”；Popular Science：“終結者智能液態(tài)金屬或為新一輪軍備競賽的第一步(Terminator-Like ‘Smart Liquid Metal'May Be The First Step In A New Arms Race)”；Space Daily等：“液態(tài)金屬機器人幾乎已在這兒，并且他們由中國制造(Liquid Metal Robots Are Almost Here and They Are Made in China)”；Popular Mechanics：“終結者1000機器人或許就由這種自主行走的液態(tài)金屬制成(The T-1000 Is Probably Made of This Liquid Metal That Moves Itself)”；更多網(wǎng)站則紛紛展望了這一開創(chuàng)性技術在機器人、藥物遞送、血管和環(huán)境監(jiān)測等方面的應用前景，認為“機器人工業(yè)正邁向不可思議的突破(The Robotics Industry Is on the Verge of an Incredible Breakthrough)”，“顯然是巨大的第一步(certainly a huge first step)”，“這是許多潛在商業(yè)用途的源泉，對于世界各國的工業(yè)界和政府會有巨大的興趣(That’s where the potential commercial uses come in, which should be of huge interest to industry and governments around the world)”。
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據(jù)初步統(tǒng)計，文章發(fā)表兩周左右即已有數(shù)百個科學或專業(yè)網(wǎng)站對此進行了評介和轉載，說明了本項研究工作的影響。
自驅動液態(tài)金屬機器的問世引申出了全新的可變形機器概念，將顯著提速柔性智能機器的研制進程。當前，全球圍繞先進機器人的研發(fā)活動正處于如火如荼的階段，若能充分發(fā)揮液態(tài)金屬所展示出的各種巨大潛力，并結合相關技術，將引發(fā)諸多超越傳統(tǒng)的機器變革。劉靜小組關于液態(tài)金屬自驅動效應和相應機器形態(tài)的發(fā)現(xiàn)，為今后發(fā)展高級的柔性智能機器人技術開辟了全新途徑，具有十分重要的科學意義和實際應用價值。
研發(fā)
液態(tài)金屬
參考資料
[1]
中國研制出世界首臺自主運動可變形液態(tài)金屬機器 · 鳳凰網(wǎng)[引用日期2015-03-25]
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尚可名片
這家伙太懶了，什么都沒寫！
作者
