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医学院刘静课题组发明液态金属磁性抓手:可操控任意形状非磁性物体 时间:2021-08-20


实时、精准、非接触式的控制手段在医疗辅助与救护,动植物生物制品操控,以及军事和工业抓手等众多领域具有广泛的应用价值。在各种控制手段中,磁场作为一种颇具前景的控制途径满足以上的技术要求。然而绝大部分动植物,生物制品,玻璃、纸张、铜等非磁性物体难以被磁场操控。因此,如何通过磁场可逆操控非磁性物体具有重要的科学研究意义和工业应用价值。可直接控制空气中磁场的“万磁王”曾在以往的科幻电影中被构想出来。现在,这样的科幻应用场景在现实中被最新的科学发现部分证实。

近日,清华大学医学院生物医学工程系刘静教授课题组以封面论文形式在国际知名期刊《Advanced Functional Materials》发表了题为 “A Liquid Gripper Based on Phase Transitional Metallic Ferrofluid”的研究论文,提出了一种基于磁性液态金属相变实现的磁场操控非磁性物体策略。封面论文如图1所示。

图1.《先进功能材料》期刊封面故事反映磁控非磁性物体液态抓手研究


这是基于实验室研发的一种可快速相变的金属磁流体衍生技术。我们知道大部分磁性材料如铁、钴、镍等金属是难以变形的固体状态,虽然有机磁流体可以变形,但是却难以维持住稳定的结构。在此次发表的研究中,高浓度盐酸环境诱发液态金属“胞吞”磁性金属颗粒,从而形成具有稳定磁性的过渡态磁流体(Transitional ferrofluid TF),简称TF,TF的熔点稍高于室温, 室温下为固态。液态TF可被磁场控制运动和变形,从而钻过比自身体积狭小的缝隙。液态TF亦可在磁场下产生针刺结构,而当撤去磁场后,不同于传统磁流体的刺状结构迅速消失,TF在室温下可快速固化,针刺结构可以稳定维持,固态TF弹性模量超过3.6GPa。值得强调的是,TF固化后可对接触物体产生很强的黏附力。如图2所示,滴落在玻璃上的TF固化后,可以与玻璃紧密地黏附在一起,甚至可以承受500g的重物而不掉落。

图2. 过渡态磁流体相变过程中可引起粘附力改变,结合其磁性,可实现磁场操控任意形状的非磁性物体。


基于TF相变实现磁控非磁性物体的过程如图2所示,首先,液态TF接触目标物体,在室温下(T=25oC)TF快速固化并黏附在物体表面,无需外界能量供应。此时,整个物体即可响应外界磁场。磁场操控结束后,稍微加热即可熔化TF,粘附力下降,TF与物体分离。

本研究还揭示了TF凝固速度是纯液态金属的39倍,这是由于TF中的磁性微颗粒作为凝结核,有效减少了液态金属凝固的过冷效应,加速了固化过程,图3展示了TF和液态金属镓的固化过程中的微观结构变化。

TF具有良好的导电性,可在交变磁场下形成感应涡流,产生焦耳热可熔化自身。由于添加了磁性颗粒,相比于纯液态金属,TF加热效率提升超过18倍。实验展示了置于水中的镓以及TF在交变磁场下的加热效果,如图3所示,随着时间的增加,含有TF的水温上升明显快于液态金属镓。TF相变速率的提升可有效增强该磁性抓手的工作效率。

图3 TF(a)与液态金属镓(b)的固化过程微观结构变化对比;在交变磁场下,纯镓和TF加热速率对比。


较为独特的是,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物体;全液态的TF对需抓取物体的形状没有限制,理论上可控制任意形状和尺寸的物体。实验发现,仅使用10gTF,固化可产生的最大锁定力超过1100N,这相当于可抓取超过自身质量10000倍的物体。而熔化后的锁定力小于0.01N;TF相变可在较小的温度范围内实现,并且完全可逆,因此TF抓手能多次重复使用。

如图4所示,本研究展示了磁场操控鸡蛋、苹果、玻璃烧杯、培养皿等非磁性材料,以及控制输液橡胶管完成选择性输送药物的目标。这一发现可为手术机器人、工业抓取、农业采摘、转印等领域提供新的操控策略。

    图4. 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


那么在不远的将来,“磁控万物”这一科幻目标会成为现实吗?

论文在线发表后引发了知名科学杂志或新闻网站的重视,Deeptech深科技对此进行了专访、高分子科学前沿、网易等对此进行了专题报道。

清华大学水木学者汪鸿章博士为文章第一作者,清华大学医学院教授刘静、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。相应研究得到国家自然科学基金以及清华大学水木学者基金资助。


论文链接: https://doi.org/10.1002/adfm.202100274



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