愿乘长风破万里浪

这两天比较热的一条科学新闻是，世界首台自主运动可变形液态金属机器[1-2]，许多媒体似乎在暗示，机器人研究有了巨大进展，甚至可以考虑《终结者III》里面那位能够干掉施瓦辛格的美女机器人了：

研究揭示，置于电解液中的镓基液态合金可通过“摄入”铝作为食物或燃料提供能量，实现高速、高效的长时运转，一小片铝即可驱动直径约5 mm的液态金属球实现长达1个多小时的持续运动，速度高达5cm/s。这种柔性机器既可在自由空间运动，又能于各种结构槽道中蜿蜒前行；令人惊讶的是，它还可随沿程槽道的宽窄自行作出变形调整，遇到拐弯时则有所停顿，好似略作思索后继续行进，整个过程仿佛科幻电影中的终结者机器人现身一般。

我很是为施瓦辛格担心，所以就上网查了查，得到了这么一些信息。液态金属很少，我们最熟悉的就是水银（汞）了。其他的液态金属包括：一些碱金属元素的熔点在室温附近，再有就是镓（Ga）了；一些合金在室温下也是液态，例如，钠钾合金、镓铟锡合金（Galinstan）以及一些汞合金。

这条新闻里提到的科学工作采用的就是镓铟锡合金（Galinstan），它是由适当比例的镓、铟、锡混合而成的。镓的熔点是29.78℃，铟是156.61℃，而锡是231.9℃，但神奇的是，它们的合金熔点可以达到零下19℃。适当地调节组分比例，还可以调整熔点的高低。这东西好像并不贵、做起来似乎也不难：原材料的成本不超过每克几块钱，用个坩埚把几种金属烧烧、熔化到一起就行了，几年前有个网友就描述了自己的制备过程[3]。

可变形液态金属机器的新闻讲得很神奇，可是看不出这件事到底是怎么做的，我就又查了查，大致搞清楚了。

实验是这么做的：拿个小液滴放在容器里。液滴大概有一两毫米吧，反正不很大就是了。这东西既然是液体，自然就可以变形。表面张力可能比较大，所以液滴就不容易破裂。把它放在容器里，容器里面是NaOH溶液，再拿个镊子把一小片铝条粘到液滴的后面，过几分钟，液滴就可以往前跑了。大概每秒钟几毫米的速度，可以跑上一两个小时。

跑步的原因是这样的：金属铝能够和NaOH发生反应，产生氢气[4]，产生的氢气起初附着在金属上，形成气泡，气泡越来越大，就会破裂，引起水的振动，水波就推动液滴前行了。铝片可以附着在液滴上，但不会被液滴吞没，总能保持与NaOH接触，发生反应。铝的化学活性很强，所以很容易反应，铝片外面通常有一层致密的氧化膜，但凑巧的是，氧化铝也可以和NaOH反应[5]，所以很容易去除。当然，金属液滴应该是不和NaOH发生反应的，至少是反应速度非常慢。因为只有液滴后部产生气泡，所以，液滴就往前跑了，一直可以跑到铝片用完了。显然，溶液不一定要用NaOH， 换上盐酸大概也可以的。跑动的速度依赖于溶液的浓度，氢气产生的越快，跑得也就越快。实际上也不一定要用氢气，你要是不嫌麻烦，自己拿个管子在液滴后面吹泡泡，液滴也肯定会往前跑的——不过这就不能算是自主运动了，只能算是人工辅助的空气动力了。

作者们似乎认为还有一个动力机制：不同金属接触时会产生电势差，也就是电场，这个电场会改变溶液的表面张力，从而导致液滴运动。我认为这个贡献相对于气泡推力来说应该是微乎其微的，但是他们把这个因素排在了前面。

好了，这就是世界首台自主运动可变形液态金属机器。这让我想起中学时老师演示的化学实验，拿出一小块金属钠放在水面上，它就会疯了一样地到处跑，这是因为钠可以和水发生剧烈的化学反应。如果那时候的化学老师有些钱，用得起金属铯，然后又肯不辞辛苦地在夏天大太阳底下做实验的话，世界首台自主运动可变形液态金属机器也许就可以早诞生几十年了。

是的，这是个很大的进步，但是，现在我们至少还可以喘口气、略微放心些了：那位可以干掉施瓦辛格的终结者三代、液体机器人美女杀手，大概还要在实验室里多呆些时候了。

PS：我邀请李颖业老师为本文赋诗一首，本是半开玩笑的性质。没想到，李老师有七步之才，其诗似与本文颇为契合。故录之如下。2015/03/29

大圣挠头阅卷悲，    
液金善变人人危。
杞天末日终结者，
却是氢流轨道推。

[1] 中国研发出世界首个自主运动可变形液态金属机器

http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2015/3/315779.shtm

[2] 中科院与清华联合研制出世界首台自主运动可变形液态金属机器

http://www.guancha.cn/Science/2015_03_25_313573.shtml

[3] 镓铟锡合金的制备

http://tieba.baidu.com/p/2619911232

下面引用这个帖子的说法：

我最早从《视觉之旅：神奇的化学元素2》一书中看到了galinstan的配方:68.5%的镓，21.5％的铟和10％的锡，随即萌生了制备该合金的想法。

至此，可以整理一下制备法的程序：

混合铟和锡，开始加热

用搅拌棒试探一下，确认铟和锡熔化

加入固体镓

第一次搅拌

关火，二次搅拌，制备完成

这种方法也适用于镓铟合金的制作，与固熔法相比，混合得更充分，均匀。

[4] 2Al + 2NaOH + 6H2O = 2 Na[Al(OH)4]   +  3H2↑

[5] Al2O3+2NaOH = 2NaAlO2+H2O

PS:

谈谈“世界首个自主运动可变形液态金属机器”
http://html.rhhz.net/kjdb/20151029.htm

2015/07/05