Что произошло
Научное сообщество в течение долгого времени лелеяло мечту о том, чтобы создать машину, которая бы потребляла «еду» и свободно перемещалась, пока вся «еда» не будет переработана. Однако разработка самодвижущегося устройства больших размеров представляла до сих пор трудновыполнимую задачу. В данном исследовании впервые представлен фундаментальный метод создания гибкой машины миллиметрового или сантиметрового размера из жидкого металла с собственным питанием, которая может самопроизвольно и быстро перемещаться в различных водных растворах и структурированных каналах с довольно впечатляющей скоростью — около 5 сантиметров в секунду.
Удивительным результатом здесь является то, что подобное автономное движение может происходить в течение очень длительного времени — более часа при потреблении всего одной хлопьевидной частицы алюминия в качестве «еды» или топлива, при этом нет нужды во внешнем воздействии или неэффективной системе электропитания. Еще более любопытно то, что гибкость жидкого металла позволяет создать «моллюска» с высокоадаптивной формой, который может самостоятельно деформироваться, подстраиваясь под геометрию той среды, в которой он движется. Эти черты очень напоминают поведение живых организмов в природе и могут позволить разработанной машине выполнять сложные задачи в недалеком будущем.
Сфера потенциальных применений подобных биомиметичных «моллюсков» выглядит разнообразной.
Полученные результаты углубляют наше понимание материалов, механики жидкостей, энергии и робототехники. Это открывает новые возможности для создания в будущем динамично перестраиваемых мягкотелых роботов с развитым искусственным интеллектом. Так как подобная машина способна самостоятельно передвигаться, «есть» алюминий и обладает метаболизмом в виде реакций в гальванической ячейке, прямо как насекомое, червь или настоящий моллюск, то ее создание поднимает такие серьезные вопросы, как «Что можно считать жизнью?». Становится понятно, что такие любопытные проблемы требуют дальнейших разъяснений в будущем.
Предыстория
Если говорить об исследованиях жидкого металла, то нашей группе повезло — у нас 14-летняя история изучения этой области. Самая ранняя работа может быть датирована 2001 годом. В дальнейшем наша научная деятельность привела к появлению серии новаторских работ по охлаждению чипов, печатаемой электронике, 3D-печати и биотехнологиям. Представленный «моллюск» из жидкого металла — неожиданный результат в этой серии непрерывных исследований.
В частности, стоит упомянуть, что в 2013 году мы обнаружили группу очень необычных явлений, которые привели нас к концепции морфологии трансформирующегося жидкого металла. В ходе наблюдений обнаружилось, что в условиях определенного электрического поля жидкий металл или другие подобные ему сплавы демонстрируют заметно различающийся потенциал к трансформации вроде превращения тонкой пленки в сферу, текущую в сторону небольшой выемки, канала или мостика, слияния отдельных металлических капель, генерации самовращения, перемещения сферы по плоскости, стимуляции вихреобразований в различных водных растворах. Подобные фундаментальные открытия позволяют продвинуться в деле создания мягкотелого робота из жидкого металла.
Поскольку мы также исследовали эрозийную стойкость между жидким металлом галлием и алюминием, мы пришли к выводу, что движущим механизмом этого автономного «двигателя» может быть реакция в гальванической ячейке между подходящими металлами и окружающим их электролитом. Выделяемые при этом электроэнергия и водородный газ совместно приводят в движение «мотор» из жидкого металла. Таким образом, был предложен универсальный метод создания автономно перемещающегося устройства из жидкого металла.
Перспективы
Автономный в плане питания «моллюск» из жидкого металла поднимает множество научных и прикладных вопросов для ученых и инженеров в различных областях — в частности, в материаловедении, физике, химии, механике, гидродинамике и так далее. Становится ясно, что с множеством физических и химических проявлений жидких, тепловых, электрических, механических свойств жидкий металл может быть описан как «один материал — различные возможности». Это подразумевает множество возможных применений. На данном этапе, учитывая большее количество тестов самого материала, включая износостойкость, биосовместимость, безопасность и так далее, автономно питаемый «мотор» из жидкого металла должен продемонстрировать свои преимущества в области создания «умных» устройств вроде крошечных двигателей, контейнеров или систем доставки, трубопроводов, жидкостных насосов и, возможно, даже простых роботов для перемещения по кровеносным сосудам и так далее.
Наиболее захватывающей целью на этом направлении, наверное, является создание гибкой, «умной» и перестраиваемой машины — возможно, человекоподобного робота на основе «моллюска» из жидкого металла. Этот «моллюск» представляет собой альтернативу традиционным жестким материалам в деле создания мягкотелых роботов, в частности, в плане автономности создаваемого устройства. Конечно, важно подчеркнуть, что жидкий металл не может решить некоторые проблемы и что финальная версия мягкотелого робота, если она будет, должна быть результатом совмещения перспективных материалов из жидкого металла и соответствующих технологий. Несомненно, потребуются колоссальные усилия для прогресса исследований в этой области.
