可变形液态金属液滴：用于柔软的流体机械

《Advanced Materials》：Shapeshifting Liquid Metal Droplets for Soft Fluidic Machines

液态金属滴在洛伦兹力和表面张力耦合作用下实现自驱动形变与破裂，形成高效低电压泵，适用于软机器人、可穿戴设备及微流控系统。

　　研究液态金属滴落动态对于微流体技术、材料科学和柔性机器人领域具有重要意义。传统的电场和磁场技术虽然能够实现对液滴的精准操控，例如在药物输送和诊断系统中，但当输入能量过高时，液滴容易出现不稳定性，导致爆炸式破裂。本研究提出了一种全新的思路，即利用液态金属的高表面张力和高导电性，将这些材料的不稳定性转化为高能量转换效率的机制。通过引入液态金属形状变换（Liquid Metal Shapeshifting, LMSS）技术，我们实现了一种新的流体动力生成方法，其原理基于洛伦兹力与表面张力之间的相互作用。这种技术能够在低压（平均≤0.1V）条件下运行，具有简单结构和双向泵送功能，且可以直接由AAA电池驱动，展现出比传统泵更高的性能。

LMSS技术的创新之处在于，它将液态金属的动态行为从破坏性转变为可利用的资源。在无约束的环境中，液态金属滴落会在洛伦兹力的作用下被拉伸并远离电极，从而存储表面能量。当没有外部约束时，滴落会继续被拉伸，直到达到临界不稳定性点，此时表面能量的突然释放会导致液滴的爆炸式破裂。然而，当引入边界条件时，如微通道结构，我们可以控制这一过程，使其形成稳定的、可重复的循环，从而实现可控的流体流动和压力生成。这种技术不仅适用于微型泵系统，还能扩展到更广泛的应用场景，如可穿戴设备、智能服装和软体机器人。

LMSS技术的核心在于其独特的循环机制。在每个循环中，液态金属滴落经历四个主要阶段：1. 推力阶段：液态金属在电极之间被拉伸，形成一个颈部区域，此时洛伦兹力推动液态金属沿通道移动，产生正向的液压压力；2. 缩颈阶段：随着液态金属的拉伸，颈部逐渐变细，直到达到临界点，此时部分周围液体被拉入液态金属中；3. 破裂阶段：当液态金属的表面能量超过临界值时，液滴破裂为两个较小的液滴，分别与两个电极保持连接；4. 重新结合阶段：破裂后的两个液滴在表面张力的作用下迅速回到低能量状态，并重新结合形成一个大液滴，完成整个循环。这一过程能够自主进行，且不需要外部控制电路，从而实现高效、可持续的能量转换。

在实际应用中，LMSS泵表现出卓越的性能。它能够在极低电压（平均0.01–0.1V）和低功率（0.006–0.4W）下运行，因此可以直接由单节AAA电池供电。此外，其结构简单、易于制造，成本低廉，仅为45便士（约合57美分），在大规模生产中可以进一步降低。通过改变电流、电极配置、微通道宽度和磁铁位置，可以灵活调节泵的输出压力和流量。例如，在5–8安培的电流范围内，压力和流量均随电流增加而提高，同时频率也上升，而占空比则下降。这表明，液滴破裂的时间主要取决于洛伦兹力的强度，而重新结合的时间则主要由材料和化学特性决定。

为了验证LMSS技术的广泛适用性，我们将其应用于多种领域。在柔性机器人方面，LMSS泵能够提供足够的压力和流量，驱动软体执行器实现高达90度的弯曲变形，且仅需12秒即可完成。此外，我们还展示了其在可穿戴设备中的应用，如通过液态金属泵送系统，将不同颜色的液体注入软体像素单元，从而实现动态的色彩变化，用于智能服装和伪装功能。通过引入紫外线防护皮肤，LMSS泵能够将二氧化钛悬浮液输送到皮肤表面，有效阻挡紫外线辐射，减少紫外线-A的强度至0.6毫瓦/平方厘米。在实验中，我们还测试了不同浓度的二氧化钛对紫外线防护效果的影响，以确保其在实际应用中的安全性。

LMSS技术的另一个重要优势在于其可扩展性和模块化设计。通过将多个LMSS泵串联或并联，可以进一步提升系统的压力和流量。例如，四个LMSS泵串联后能够产生高达24千帕的压力，而四个并联则可以实现3.72毫升/分钟的流量。这种扩展能力使得LMSS泵能够适用于更复杂的系统，如大规模的软体机器人或微流体装置。此外，我们还研究了LMSS泵在不同环境条件下的性能，包括在高温、高背压和不同介质中的应用。结果显示，即使在通道高度降低或背压增加的情况下，LMSS泵的性能也仅略有下降，且能够稳定运行超过七千次循环，展现出良好的可靠性和耐用性。

在实验方法上，我们采用了多种技术手段来优化LMSS泵的性能。例如，通过调整电极的插入深度和微通道宽度，可以控制液滴的拉伸程度和破裂行为。我们还研究了电极材料对液滴行为的影响，发现使用铜电极能够增强液滴与电极之间的结合，从而提高泵的效率。此外，我们利用COMSOL Multiphysics软件对LMSS泵的电磁场和流体动力进行了模拟，验证了其在不同配置下的性能表现。模拟结果显示，通过封闭磁路可以显著提高磁感应强度，从而减少所需的输入功率，并提升单位功率下的压力和流量输出。

LMSS技术的创新不仅体现在其性能上，还在于其对传统泵送系统的突破。以往的软体泵通常需要复杂的控制电路和较大的外部电源，而LMSS泵则通过简单的结构和低压供电实现了高效的流体输送。这种技术的出现为可穿戴设备、智能服装和医疗设备等领域的应用提供了新的可能性。例如，通过将LMSS泵集成到手腕装置中，可以实现对紫外线防护皮肤的动态控制，同时保持装置的轻便和便携性。此外，LMSS泵还能够用于柔性执行器的驱动，实现更精细的运动控制，从而推动下一代软体机器人的发展。

LMSS技术的未来发展潜力巨大。其独特的能量转换机制和材料特性使其能够应用于多个跨学科领域。在微流体技术中，LMSS泵能够提供高能量密度的流体动力，适用于微型芯片设备的集成。在软体机器人领域，其模块化设计和双向泵送能力使其能够与人工肌肉等柔性组件结合，提升整体系统的性能和适应性。在可穿戴设备方面，LMSS泵的低功耗和高效率使其能够成为智能服装、动态皮肤保护和柔性显示系统的重要组成部分。此外，其在环境响应和自主运行方面的优势也使其成为未来柔性机械系统的核心技术。

总的来说，LMSS技术通过将液态金属的不稳定性转化为可控的、可持续的流体动力，为微流体系统、软体机器人和可穿戴设备提供了新的解决方案。其简单的设计、低功耗、高效率以及模块化特性，使其在多个应用场景中具有显著优势。未来，随着材料科学和微流体技术的进一步发展，LMSS技术有望在更多领域得到应用，成为下一代柔性机器人的关键驱动力。同时，其在能源转换、环境适应和智能控制方面的潜力，也为智能材料和柔性系统的发展开辟了新的方向。