液态磁流体TF问世,操纵磁场即可实现快速固液转换,“万磁王”从科幻走进现实|专访

DeepTech深科技 2021-06-11 18:46

前段时间《速度与激情 9》上映,票房节节攀升,虽然口碑好坏参半,但电影中的磁铁装甲车却着实吸引了不少眼球。每个人心中都有一个英雄梦,如同万磁王般操纵磁场的能力更是让人大为羡慕。而现在,“磁控万物” 正向我们普通人走来。

近日,清华大学联合中科院理化所和北京航空航天大学首次报道了一种磁场操控非磁性物体的方法,这是基于该团队研发的一种可快速相变的金属过渡态磁流体(Transitional ferrofluid,TF)的衍生技术。

“基于液态金属 TF,我们研发出一种纯液态抓手,通过可逆相变原理来实现磁铁抓取任意形状的非磁性物质。” 清华大学水木学者汪鸿章博士向 DeepTech 介绍道。该研究将为手术机器人、工业抓取、农业采摘等领域提供更完善的抓取手段,即便抓取对象不具备磁性。

图 | 汪鸿章(来源:受访者)

5 月 19 日,相关研究成果以《一种基于相变金属磁流体的液体抓手》“A Liquid Gripper Based on Phase Transitional Metallic Ferrofluid” 为题发表在《高级功能材料》(Advanced Functional Materials)上,汪鸿章为论文第一作者,清华大学医学院教授、中科院理化所研究员刘静、清华大学化学系讲席教授危岩及北航生物医学工程高精尖创新中心副研究员胡靓为本文共同通讯作者。

底层材料实现重大突破,液态磁流体 TF 问世

关于磁性液态金属材料的研发,涉及到一个背景,汪鸿章表示:“我们想寻找一种能够快速进行固液转变并实现抓取功能的磁铁”。

传统磁铁显然不满足这种需求。传统固态磁性材料比如铁、钴、镍等,一般都是难以变形的金属,液化需要非常高的温度,而且不可以重塑形状。另外当材料经历高温变成液体的时候,往往会超越自身的居里温度(磁性转变点),导致磁性消失。

于是接下来研究团队将目光转向能变形的有机磁流体,这种磁流体兼具液体的流动性和固体磁性材料的磁性,属于一种新型功能材料,拥有极高的学术价值。但新的问题随之而来,他们发现这种传统磁流体始终是液态的,无法维持一个稳定的形状。虽然在极低温度下可以凝结为固态,但这种固态是脆性的,强度较低。

图 | 液态金属磁流体(来源:受访者)

“因此我们团队就在考虑,能不能寻找到一种既具有固态磁铁坚硬的特性,同时又有液态磁铁流动和变形属性的材料呢?然后我们很自然就想到了液态金属。” 汪鸿章说。

因为液态金属虽属于流体,但它在固态的时候又具备金属的强度,只需要想办法使这种液态金属具备磁性,就会成为极好的实验材料。另外考虑到正常室温条件下抓力也需稳定维持的问题,材料的熔点还需稍高于室温,而液态金属恰好满足这个要求。

视频 | 电控液态金属如行云流水般运动(来源:受访者)

谈到磁性材料研发的关键过程,汪鸿章表示:“开始的时候很难将磁性颗粒混合进液态金属中去,但后来发现了一种关键溶剂,它的浓度在达到极端条件后,便会诱发液态金属侵吞磁性颗粒,经过漫长探索,最终我们成功研发出了液态磁流体 TF。”

图 | 液态 TF 可以流动和变形,固化后可以稳定维持住瞬间结构(来源:受访者)


液态 TF 在磁场的操纵下可以任意变形,从而穿越狭小的缝隙,同时也可以生成一种针刺结构,在固化后继续维持稳定状态。另外它的弹性模量超过 3.6 GPa,远比一般弹性材料要高, 变形后也可以很好恢复。

首次提出纯液态抓手概念,以无形控有形

万磁王操纵磁场的能力让很多人羡慕,但磁流体 TF 似乎更胜一筹。因为从理论上来说,TF 可操纵万物,而不再局限于磁性物体

“TF 可通过表面黏附或液态包裹的方式抓取物体,不会破坏物体结构,甚至可以黏附抓取鸡蛋等脆性以及没有磁性的物体;另外液态 TF 对待抓取物的形状并没有限制,理论上可控制任意物体。” 汪鸿章表示。

图 | TF 可实现磁场操控任意形状的非磁性物体(来源:受访者)


具体的原理涉及到液态金属的可逆相变,以及在相变过程中对接触物粘附力的改变,从而实现磁场操控非磁性物体。首先将液态金属 TF 移动到任意形状的物体上面,使其瞬间固化,从而和接触物紧密粘附在一起,成为一个整体。由于 TF 具备磁性,这个整体就可以被磁场进行操控,移动到特定位置之后,再通过热刺激使 TF 转换成液态,这样粘附力就会减小,TF 和接触物就会分离。

整个磁控过程可以在短短十几秒内迅速完成并且不破坏抓取物,无论是固化速度还是液化速度,与传统的液态金属相比都提高了一个量级,可有效增强该磁性抓手的工作效率。

视频 | 基于液态金属相变实现磁控非磁性物体操作过程(来源:受访者)

实验数据显示,TF 的抓取力量非常强大。仅仅 10g 材料,大概能产生超过 1100N 的力量,超过自身重量 11000 倍

在成本方面,TF 的表现同样优异。“液态金属属于非消耗性材料,可以重复使用。而且与传统抓手相比,不再局限于抓手形状,只需要一个液态抓手就可适应任意形状物体,减少了许多损耗。” 汪鸿章说。

除此之外,TF 的另一特殊之处在于它在室温环境下可以保持固态,不需要外界的能量供应就能维持抓取状态,抓取时间甚至长达半年之久。

唯一的影响因素就是温度,只要温度稍高,比如人体温度,TF 就会迅速液化,抓取力量很快就能下降到最小值,甚至小于 0.01 N,释放的非常彻底。实验发现两种状态下 TF 抓取力量悬殊,差异可达 10 万倍左右。

由于是首次提出通过磁性液态金属磁控非磁性物质的概念,所以大部分应用尚局限在实验室里。不过对于该研究,汪鸿章有一个自己畅想,即未来任何非磁性的物体,如果需要远程操控的话,都可以通过液态抓手实现。

液态抓手理论可行,有望实现工业化生产

汪鸿章坦言,底层材料依旧需要通过不断研发出新的特性从而实现新突破,另外结构设计也是当前面临的困难。

虽然已经研发出来数种不同熔点的材料,能够具备磁性并且实现抓取功能,但是该系统还不能在人体内使用。“我们为什么要选择熔点比人体温度低的材料,就是希望它在人体内是柔性的、液态的。” 汪鸿章表示。

受限于材料的熔点,目前液态抓手只能作用于人体皮肤表面,这就导致其在临床医疗上应用还有很大进步空间。也因此,探索具有可调节熔点的底层材料成为汪鸿章团队的下一步研究方向

而与此同时,还有一个不得不考虑的问题,即可稳定应用的工业化产品尚未问世

视频 | 磁场操控玻璃烧杯(来源:受访者)

汪鸿章向 DeepTech 介绍道:“从结构设计的层面来说,我们实验室的概念论证证明了液态磁性抓手的前景可行性,理论路线完全走得通,但是目前要做出可以稳定应用的产品出来可能还有一段距离。”

不过实验室研究与工业化生产之间存在距离也是正常的,这就需要科研人员不断实现技术突破,缩小这段距离。对此汪鸿章保持乐观态度。他认为,液态抓手实现磁场操控非磁性物质,在行业内具有开创意义,想要真正运用肯定需要一段时间,这是一个辩证问题。

“将论文写在祖国大地上”

漫长的探索过程中,汪鸿章始终坚持着一个理念,那就是希望做 “有用、有趣、有新意” 的科学研究

谈到研究液态抓手的初衷,汪鸿章讲了一个小故事。研究过程中,他们将液体磁性材料滴到了一块平整的玻璃上,正常来说这么光滑的表面会很容易脱落,但他们却发现材料和玻璃牢牢地黏附在了一起,而且由于材料有磁性,他们用磁铁轻易地把玻璃吊了起来。

图 | 磁控鸡蛋、苹果、实验玻璃器材以及磁场辅助选择性释放药物(来源:受访者)


另外在攻读博士期间,汪鸿章的研究方向是基于液态金属软体机器人的技术研究,由刘静教授担任团队首席科学家。刘静是国内原创科技的代表学者之一,正是由于刘静教授的不懈探索,液态金属在国内从冷门学科发展成为大热门。该研究致力于通过软体机器人解决某些迫切需求,比如说抓取物品。但此时的软体抓手还是有一定形状的。于是汪鸿章就想到能否制造一种全液态的抓手,像水一样包容万物,以无形去抓取有形。如果这个概念能实现,应用前景肯定非常巨大。

“当然一些科幻片也提供了灵感,像万磁王可以控制空气,控制任意磁性物体,让我觉得很有意思,这才有了继续探索下去的想法。” 汪鸿章表示。在他看来,液态金属如同终结者,本身就具有科幻色彩,而液态磁性抓手好比万磁王,同样是和科幻结合的关系,他们团队的工作就是试图把这种科幻设想逐渐带进现实。

图 | 汪鸿章所在团队进行相关实验(来源:受访者)

他还告诉Deep Tech:“习大大说过‘要把论文写在祖国大地上’。这个祖国大地是指科学家的研究成果需要造福人类和社会,将论文的作用真正发挥出来。因此我希望自己的研究能够真正地运用到现实生活中去,切实解决当前社会的痛点问题。”

虽然液态抓手的研究目前仍然处于初期阶段,但在汪鸿章看来,只要进一步付出时间和努力,这个设想终会成为现实,并真正为社会所用,这也是汪鸿章探索前沿领域的终极目标。

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