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大量级可变形液态金属复合材料

摘要：现存的大部分机器人，由于其内部的刚性组建和复杂的驱动机构，难以将其身体各个部分一起进行拉伸和变形。在这里，我们提出了一种高度可变形的液态金属复合材料(LMC)，它可以根据需要轻易地大量级的改变的形状并恢复到原来的状态。当材料受到加热时，部分嵌在复合材料中的乙醇液滴会发生相变，然后起作用。我们演示了LMC制作的章鱼通过远程无线加热，从一个二维的形状到几个可预测的三维形状在大尺度上(甚至高达其初始高度的11倍)的自由转换的灵活性，而这完全不需要复杂的操作系统。此外，还实现了章鱼的运动和软机器人的缠绕等设计行为。对内含的乙醇液滴的热感应液体minus;蒸汽转化的理论分析的解释了机制。本研究结果为功能性可转换复合材料的制备开辟了一条新的途径，在未来的软机器人开发中具有重要的应用价值。

1. 介绍

机器人通常被设计成僵硬的，由本质上刚性的材料、硬链接和关节组成，这限制了它们的灵活性和变形能力。然而，生物，从完全软体的章鱼到有硬内骨或外骨骼的哺乳动物，都拥有柔软的身体。近年来，软机器人正在成为一个快速发展的领域，其重点是模仿弹性皮肤、肌肉和软体动物。与硬体机器人不同，软体机器人具有的可变形性结构具有弯曲、扭转、变形能力，可适应各种非结构化环境。早些时候，开发了一系列无限制的软机器人和软体动物机器人，包括仿虫机器人，毛虫状机器人，仿章鱼机器人等等。众所周知，驱动是发展无限制软体机器人的主要挑战之一。特别是要实现如章鱼、水母等在不依赖于刚性骨架的情况下，能够自由地改变自身的形态和运动的软性机器人，其软性驱动元件需要仔细的考虑并实现。到目前为止，已经有了各种巧妙的方法来驱动软机器人，包括气动执行器，形状记忆合金，液晶弹性体，流体弹性体执行器，和加压流体执行器。在众多不同的软驱动方法中，液体minus;蒸汽相变的材表现出令人瞩目的性能，如高膨胀应变和简单的控制。低沸点材料如乙醇的相变已被证明是一种较好的软机器人驱动方法。然而，它似乎很难在只进行加热的基础上自由地转换成令人满意的更复杂的形状，而不仅仅只是膨胀。此外，相变复合材料的柔韧性、拉伸性能和导热性能应得到显著提高，以满足需求。

室温液态金属是指具有较高的金属导电性和良好的流体流动性的材料，这些材料可能是制造软机器人的基础材料。此外，液态金属硅橡胶复合材料因其具有良好的柔软性和超弹性、增强断裂能、导热性好、无线加热能力强、多种风格的三维(3D)打印等多种潜在的应用前景和良好的性能越来越受到人们的关注。液态金属复合材料(LMC)具有优异的通用性，可能非常适合制造软机器人。然而，用这些材料制造软机器人最困难的瓶颈之一是缺乏内在的驱动元件。到目前为止，还没有在液态金属复合材料中引入相变材料的报道。

在这里，我们开发了液态金属复合材料，它可以自由变形和拉伸任何部件，从而在无线加热下完成设想中的复杂的变形。这种可伸缩的液态金属复合材料(LMC)是由液态金属(铟-镓,共晶; EGaIn)与硅弹性体混合，再与液体乙醇混合，在热刺激下产生非常大的体积变化。这里介绍的液态金属的作用是，显著提高了导热系数，高至4倍，相较弹性体minus;乙醇复合材料，大幅降低了LMC的弹性模量(43.1%)，这两种作用最有助于实现自由转换功能。结合以上材料的优点，我们设计出了一款具有显著灵活性、快速响应能力、电磁感应驱动、可自由变形的概念型软体机器人。我们展示了LMC制造的章鱼在只有无线加热而没有任何复杂的操作系统的情况下，从二维(2D)形状到几个可预测的三维形状(甚至高达其原始高度的11倍)的自由转换。我们展示了复合材料的特性，并对其转化机理进行了理论解释。利用该材料，我们设计并评价了一组蠕虫状机器人的缠绕行为和脾气控制运动。

2. 结果

2.1 液态金属复合材料的制备

液态金属主要由占75.5%质量的镓和占24.5%质量的铟组成，分散在未固化的硅弹性体中。要实现软驱动，选择相变剂乙醇作为软体机器人的关键组件，通过液体minus;蒸汽转换机制实现大体积变化。液体乙醇沸点较低(78.4°C)并且是无毒的，使之成为一个优秀的驱动候选。将未固化的液态金属弹性体与液体乙醇(重量比为9:1)剪切混合，制成液态金属复合材料(LMC)，在凝固前可浇铸、打印成不同形状。LMC制作简单(可在2分钟内制作完成)，如图1a所示(详见第5节)。液态金属复合材料因此具有很高的拉伸性能(700%，图1b)。拉伸时的微观结构如图S1所示。在加热条件下，随着乙醇液体蒸发压力的增大，LMC膨胀并自由改变形状。液态金属载荷在复合材料的自由变形中起着重要的作用。LMC的超高变形能力如图1c和影片S1所示，与对照组相比，LMC更倾向于将身体变形为3D形状。

图1所示 造过程和转化行为。(a)液态金属复合材料(LMC)的制备工艺。(b) LMC的高拉伸性(700%)。(c)热枪加热30 s时，LMC形成较大的气泡形状，对照组(无LM)无明显形状变化;标尺为2厘米。(d)不同LM重量比下LMC的弹性模量。(e) LMC随热源位置变化的局部变形。(f)通过选择性加热，LMC局部区域依次膨胀，形成三维形状。

从金相显微镜图像(图S2a)可以看出，液态金属液滴被包裹在硅弹性体的复合材料中。应用微CT (CT, Carl Zeiss Xradia 410 versa)可扫描LMC的三维结构，如图S2b所示。白色点为LM液滴，与乙醇泡一起，分布在硅酮聚合物中。该复合材料的变形机理是由于乙醇蒸发的强烈挤压作用，迫使密封弹性体膨胀变形(图S2c)。因此，高导热系数和柔性对蒸发和变形效果的最大化都是至关重要的。在相变压力相同的情况下，弹性模量较低的材料能够产生较大的变形。

在比例极限下的弹性模量可以描述为：

E = (F/S)/(Delta;L/L) = sigma;/ε (1)

其中，ε= F / SE，F是力，S是力作用区域，L是长度，sigma;是应力，ε是应变。

因此，在相同的蒸发力下，弹性模量较低的材料可以产生较大的应变和变形。为了开发具有良好变形能力的机器人，需要选用弹性模量较低的材料。LMC中的液态金属夹杂物可以显著降低弹性模量(图1d)，是制造软机器人的较好候选材料。LMC在LM含量为60%时表现最佳，弹性模量降低43.1%。此外，液态金属弹性体具有较高的断裂能，在膨胀过程中具有良好的抗撕裂性能。即使膨胀的非常大，LMC也很难断裂，这可以提高软执行器的性能。综上所述，液态金属夹杂物能够软化材料，为软构件的发展开辟了广阔的前景。

在软驱动过程中，实现可编程的、理想中的膨胀是具有挑战性。因此，通过选择性加热可以方便地实现LMC的可控膨胀，这拓宽了LMC的应用范围。图1e为LMC随热源位置变化的局部变形情况。因此，这种方式可以扩展复合材料的任何部分，并根据需要实现可编程3D结构。从图1f中可以看出，平面LMC在受到选择性加热时(视频S2和S3)，在特定区域内膨胀并持续上升，最终形成三维结构，冷却后可以恢复到原来的平面形状。

2.2 热响应能力的演示

如上所述，LMC能够在热刺激下可逆变形。可以采用多种加热方式来实现LMC的可逆变形。在本节中，我们采用了四种方法对LMC进行加热，分别是微波炉、热板、热枪、磁线圈，这些方法都会导致LMC膨胀变形。首先，我们提出了利用微波炉(美的L1)加热LMC的实验。众所周知，大块金属在微波频率下不易被电磁辐射加热，这是由于其电磁穿透深度为微米级，且大部分电磁能量被反射。然而，我们的实验结果表明，液态金属液滴与微波有效地相互作用产生热量，这与在微波场中观察金属粉末的烧结过程类似。微波频率f = 2.45 GHz,液态金属电导率sigma;= 3times;106 S / m，自由空间导磁系数mu;0 = 4pi;times;10minus;7 H / m。金属液滴与微波相互作用释放的功率与其半径有很大的相关性。通过优化液态金属液滴半径为Rm = 2.4，delta;= 14mu;m能够获得最大热生成量。搅拌时间对液滴的大小起着重要的调节作用。与图S3a(搅拌50 s)相比，图S3b所示为搅拌时间较长(500 s)、液滴尺寸较小的LMC。由于液滴形状不规则，我们计算的是液滴的面积而不是半径。搅拌时间越长，液滴面积越小。因此，为了达到微波能量的最佳吸收效率，我们可以通过调节搅拌时间来获得合适的液滴大小。与仅与液态乙醇混合的硅酮相比，微波对液态金属夹杂物的释放功率要高得多，这显著提高了能量吸收效率，使其温度升高得快得多，有利于弹性体基体的变形。

如图2a所示，为了直观地展示不同LM含量的软体液态金属材料的膨胀效果，采用中等微波功率(600w)加热6个LMC方块，其中液态金属比例为0 ~ 81%。加热90 s后，红外摄像机记录下热像和温度变化，可以看出，液态金属比例越高，最终温度也越高。在微波加热过程中，如果软材料的温度超过78.4°C(乙醇的沸点)，乙醇液体会蒸发并使LMC膨胀(图S4a,b)。

图2 LMC在不同加热方式下的膨胀。(a)微波加热时， LM含量较大的LMC温度上升较快，如红外图像所示。标尺是2厘米。(b)在热板上加热时，LMC表现出明显的驼背行为，而对照组(没有LM)则没有明显的形状变化。标尺为2厘米。(c) 相比LM重量比为30%和0%，LM重量比为60%的LMC温度上升较快。(d)不同LM比下LMC的导热系数和升温速率。(e) LMC对磁线圈无线加热的膨胀响应。

我们也用热板(150°C)直接加热LMC。从图2 b可知，LMC扩张并变形，而没有液态金属的材料虽然受到相同的加热时间(180s)，却不变形。基本原因在于在热板加热时，含有液态金属的LMC材料变暖速度相比缺乏液态金属的材料要快，如图为红外温度测量图片(图2 b)。通过定向加热非均匀连接的结构设计，实现了LMC的复杂变形行为。如图S4c,d所示，在热板上加热时，由于设计的热分布不均匀，LMC板材弯曲成波状。

为了进一步验证液态金属加速变暖效应的假设，我们用三对热电偶记录了不同液态金属重量比(0、30和60%)下LMC的表面温度变化。我们在热板上加热LMC 180秒；三个LMC的加热曲线如图2c所示。显然，与其他两个相比，含有60%液态金属的LMC的表面温度上升最快，达到温度最高(84°C)。正如预期的那样，缺乏液态金属的LMC的温度上升缓慢。因此，实验结果与液态金属提高加热效率的假设一致。温度越高，乙醇越容易蒸发，变形越快。图2d(右)显示了含有不同LM比率的三种材料在90 s内的升温速率。含有60% LM的LMC材料温度上升速度(0.64°C / s)几乎比不含液态金属的材料 (0.14°C / s)快4.5倍。三种材料的导热系数(0%LM ，30%LM 和60%LM)分别是0.2，0.44和0.87 W /(m°C)(由热盘测定)，与实验结果大致相同。因此，由液态金属较多的LMC制成的热响应机器人，其响应能力更强，扩展速度更快(至少4.5倍)，这是软驱动的一个重要特点。

考虑到液态金属具有良好的导电性，还可以利用电磁感应加热器对液态金属软体机器人进行加热和变形。为实现定向变形模式，设计了三层结构实现电磁感应加热，其中包括非充气透明聚二甲基硅氧烷层、矩形网状液态金属层和LMC层。制作过程如图S4e所示。由于电磁感应加热的原理，加热导体的尺寸要与加热铜线圈的尺寸有宏观上的可比性；这样就可以产生涡流并将其转化为热能。当三层液态金属放置在线圈上并接通电源时，加热器会在网格状液态金属层中产生涡流。电流进一步转化为热能，使LMC的温度升高。当温度超过乙醇的沸点时，由于拉伸性的不平衡，聚合物层会膨胀成弯曲的形状(图2e)。

2.3 热响应软体机器人的演示

LMC具有在平面形状与三维结构之间可逆变形的能力。如图3a所示，当进行选择性加热时，圆柱体材料会在目标区域内弯曲隆起。在冷却的时候，隆起区域会立即缩小到原来的形状。正如预期的那样，加热会导致特定区域再次膨胀和隆起，如果需要，这一过程可以重复很多次(视频S4)。此外，通过热枪反复加热和冷却后，LMC球发生可逆变形。更有趣的是，这种软球能够通过温度的调节来改变其表面的颜色。一旦温度升高，随着乙醇的蒸发，软体机器人就会膨胀，暴露其中的液态金属液滴，将它们的外观颜色从灰色变成银色(图S5)。当温度降低时，随着机器人的收缩，其颜色恢复。因此，软体机器人可以像自然界中的变色龙一样，通过温度来控制自己的颜色。我们知道，可重复性和极端变形程度是柔性可变形机器人的关键指标。我们记录了其膨胀和收缩的重复性(图S6)。在图S6中，蓝色的点表示初始高度(1.4 mm)，红色的点表示加热后抬升的最终高

图3 各类软机器人演示 (a)对圆柱形LMC进行选择性加热和冷却，同时可逆地进行膨胀和收缩。(b) LMC制造的章鱼由2D形状转变为3D形状；标尺为2厘米。(c)温度变化引起的软机器人运动。当受热时，机器人会膨胀并拉长它的身体，前腿会随着伸展向右移动。当机器人冷却后，它的身体会变短，后肢会向右移动，整个身体也会随之运动。标尺为2厘米。(d) LMC机器人采用非接触加热抓取物体的过程。

度。上升高度的峰值为16mm(超过原高度的11倍)。实验表明，在较高的膨胀比(约为原高度的6倍)循环可重复24次以上。LMC释放的乙醇气体限制了膨胀的重复性，可以用密封材料密封LMC来解决这个问题。这些基本动作可用于实现所需的受控驱动。

一只由LMC材料制作的二维章鱼在选择性加热的作用下会膨胀，只有通过温度调节，其二维和三维结构之间的变形才能重复多次(图3b和视频S5)。此外，我们设计了一个由LMC组成的软机器人，它可以在加热和冷却的驱动下向一定的方向移动(图3c和视频 S6)。如图3b为这个软机器人如何进行运动的示意图。一根LMC杆的两端插入一个特殊的插座，插座的表面雕刻有齿轮齿条图案。具体地说，齿轮齿条图案向一侧倾斜，当相对运动方向与齿条倾斜方向相同时，摩擦较小。导轨表面以互补的方式雕刻有类似的图案。因此，向左运动的摩擦力明显小于向右运动的摩擦力。当机器人被放置在轨道上并用热枪加热时，它的长度会增加。由

资料编号：[3469]