刷新機(jī)器人微操記錄：42G彈射釋放、橫跨14個(gè)數(shù)量級(jí)精準(zhǔn)操控

抓取和釋放，是人類(lèi)之手最尋常的動(dòng)作，卻是機(jī)器人至今仍在攀登的高峰。要穩(wěn)穩(wěn)抓起一塊石頭不難，但要溫柔地捏起一塊豆腐，再干脆利落地釋放一根頭發(fā)絲，同時(shí)還能適應(yīng)水下、空中各種環(huán)境——這幾乎是給機(jī)器人出的一道“既要、又要、還要”的難題。

在自然界中，單細(xì)胞生物變形蟲(chóng)給出了一個(gè)絕妙的答案。它能像液體一樣流動(dòng)，通過(guò)改變自身形態(tài)包裹并捕獲各種形狀和大小的獵物。

以此為靈感，蘇州大學(xué)李相鵬、孫立寧教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)張世武教授、澳大利亞新南威爾士大學(xué)唐詩(shī)楊教授、伍倫崗大學(xué)李衛(wèi)華教授等國(guó)際團(tuán)隊(duì)，成功研發(fā)出一種基于功能液態(tài)金屬的通用抓手（LiMU）。

相關(guān)研究成果《Liquid metal universal grippers for gentle, adaptable, multiscale manipulation》已于近日發(fā)表于國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《Nature Communications》。

該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金共融機(jī)器人重大研發(fā)計(jì)劃（92248302），江蘇省杰出青年基金（BK20231522），江蘇省高效自然科學(xué)研究重大項(xiàng)目（22KJA510006），蘇州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（SGC202320）等項(xiàng)目支持。

該抓手通過(guò)電化學(xué)與磁場(chǎng)協(xié)同調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了從皮克級(jí)到百克級(jí)物體的超柔順抓取與主動(dòng)釋放，在微納尺度物體操控中釋放加速度高達(dá)42G，刷新了機(jī)器人釋放速度的世界紀(jì)錄，操作接觸壓力低至10 Pa，是現(xiàn)有報(bào)道中的最低水平，為機(jī)器人微操控提供了全新范式。

LiMU抓手設(shè)計(jì)及其表面張力調(diào)控機(jī)理

抓手的核心是一個(gè)3D打印的柔性硅膠腔體，內(nèi)部填充著功能性液態(tài)金屬（FLM）。

研究團(tuán)隊(duì)采用仿植物根系設(shè)計(jì)，在腔體內(nèi)壁上設(shè)計(jì)了6根微柱。微柱表面粘附銅粉，與液態(tài)金屬中的鎵形成牢固的Cu-Ga金屬鍵。單根微柱能提供0.34 N的粘附力，6根聯(lián)手，足以將FLM液滴牢牢錨定在腔體內(nèi)，即使抓取上百克的物體也不會(huì)脫落。

更精妙的是藏在腔壁里的“液體輸送系統(tǒng)”：厚1 mm的電解質(zhì)夾層通過(guò)直徑800μm的微通道與腔體內(nèi)壁相連，內(nèi)壁貼附的多孔紗布吸收電解液，為FLM提供局部的電解質(zhì)環(huán)境，讓FLM在空氣中也能實(shí)現(xiàn)電化學(xué)調(diào)控。

01.

“弓弩式”主動(dòng)釋放：42G彈射，6毫秒甩掉頭發(fā)絲

首先，這款抓手解決的是“放”開(kāi)物體的問(wèn)題。

傳統(tǒng)機(jī)械抓手在釋放微米級(jí)物體時(shí)，常因范德華力、毛細(xì)力等微尺度效應(yīng)而難以脫離。

LiMU抓手首次揭示了一種基于表面張力調(diào)控的主動(dòng)釋放機(jī)制：通過(guò)電化學(xué)還原使液態(tài)金屬恢復(fù)高表面張力，形變后的液態(tài)金屬如同拉滿的弓弩，在毫秒級(jí)時(shí)間內(nèi)將包裹的微小物體“彈射”出去。

相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)于直徑70微米、重0.05毫克的人類(lèi)發(fā)絲，LiMU抓手可在6毫秒內(nèi)將其加速至696毫米/秒（約8700倍體長(zhǎng)/秒），峰值加速度達(dá)42G。

值得注意的是，這一指標(biāo)不僅遠(yuǎn)超現(xiàn)有機(jī)器人抓手，也位列自然界生物與人工致動(dòng)器中的最快釋放速度之一。

LiMU抓手主動(dòng)釋放

02.

橫跨14個(gè)數(shù)量級(jí)，皮克級(jí)到百克級(jí)物體穩(wěn)定抓取釋放

這個(gè)抓手的另一個(gè)能力，是它的操作跨度。

得益于液態(tài)金屬表面張力的寬范圍調(diào)控（從約700 mN/m降至接近零），LiMU抓手可實(shí)現(xiàn)對(duì)從10?12克（皮克級(jí)）到102克（百克級(jí)）物體的穩(wěn)定抓取與釋放，覆蓋了微納顆粒、生物細(xì)胞、電子元件到日常物品的全尺度范圍。

研究中，抓手成功抓取了微型LED芯片（0.1 mg）、玻璃微纖維（0.58 μg）、二氧化硅微球（1.21 pg）等微納物體，并實(shí)現(xiàn)了無(wú)損釋放。

LiMU抓手跨尺度多樣操控

03.

10帕超低接觸壓力，無(wú)損轉(zhuǎn)運(yùn)豆腐和魚(yú)苗

抓得住重物不稀奇，抓得住脆弱的東西才是真功夫。

LiMU抓手執(zhí)行操作時(shí)的接觸壓力最低可降至約10帕，為已有報(bào)道中的最低水平，遠(yuǎn)低于大多數(shù)脆弱生物組織（如軟體動(dòng)物、豆腐、葡萄藻）的屈服極限。

具體實(shí)驗(yàn)中，抓手無(wú)損轉(zhuǎn)運(yùn)日本豆腐、金魚(yú)幼苗，甚至蒲公英花，并對(duì)200枚斑馬魚(yú)胚胎實(shí)現(xiàn)了99%成功率的高效操控，后續(xù)發(fā)育與對(duì)照組無(wú)顯著差異，可見(jiàn)其優(yōu)異的生物相容性。

LiMU抓手超低接觸壓力

04.

適應(yīng)多種環(huán)境，毫秒極抓取動(dòng)態(tài)物體

更厲害的是，無(wú)論環(huán)境怎么變，它都能快速反應(yīng)。

聯(lián)合團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種“環(huán)境無(wú)關(guān)的表面活性調(diào)控機(jī)構(gòu)”，通過(guò)多孔表面與微通道結(jié)構(gòu)，使抓手在空氣、海水、酸堿溶液等多種環(huán)境中均能穩(wěn)定工作。

同時(shí)，抓手可在200毫秒內(nèi)捕獲快速爬行的蟑螂，并能進(jìn)行無(wú)視覺(jué)輔助的無(wú)序抓取任務(wù)，展現(xiàn)出極強(qiáng)的動(dòng)態(tài)適應(yīng)能力。

LiMU抓手動(dòng)態(tài)抓取

總體而言，LiMU抓手在適應(yīng)性、多尺度操作、低接觸壓力和快速操控速度等方面均展現(xiàn)出優(yōu)于現(xiàn)有機(jī)器人抓手的顯著性能，為應(yīng)對(duì)各類(lèi)長(zhǎng)期存在的操控挑戰(zhàn)提供了一種全新的解決方案。從生物樣本操作、單細(xì)胞手術(shù)，到微納組裝、深海探測(cè)，其應(yīng)用場(chǎng)景正在打開(kāi)。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-70313-6