蘇州大學李相鵬、孫立寧教授團隊聯合中國科學技術大學張世武教授、澳大利亞新南威爾士大學唐詩楊教授、伍倫崗大學李衛華教授、西北工業大學肖冰教授等國際聯合團隊,受變形蟲捕食行為啟發,成功研發出一種基于功能液態金屬的通用抓手(LiMU)。該抓手通過電化學與磁場協同調控,實現了從皮克級到百克級物體的超柔順抓取與主動釋放,在微納尺度物體操控中釋放加速度高達42 G,刷新了機器人釋放速度的世界紀錄,操作接觸壓力低至10 Pa,為已有報道中的最低水平。這一突破性成果為機器人微操控提供了全新范式。LiMU抓手集超柔順、多尺度、快速響應、環境自適應于一體,在活體生物樣本、單細胞操作、微納組裝、深海探測等領域展現出廣闊應用前景。相關研究成果《Liquid metal universal grippers for gentle, adaptable, multiscale manipulation》已于近日發表于國際權威學術期刊《Nature Communications》。
論文鏈接:
https://www.nature.com/articles/s41467-026-70313-6
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圖1 LiMU抓手設計及其表面張力調控機理
表面張力調控實現“弓弩式”主動釋放
傳統機械抓手在釋放微米級物體時,常因范德華力、毛細力等微尺度效應而難以脫離。LiMU抓手首次揭示了一種基于表面張力調控的主動釋放機制:通過電化學還原使液態金屬恢復高表面張力,形變后的液態金屬如同拉滿的弓弩,在毫秒級時間內將包裹的微小物體“彈射”出去。
實驗顯示,對于直徑70微米、重0.05毫克的人類發絲,LiMU抓手可在6毫秒內將其加速至696毫米/秒(約8700倍體長/秒),峰值加速度達42 G。這一指標不僅遠超現有機器人抓手,也位列自然界生物與人工致動器中的最快釋放速度之一。
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圖2 LiMU抓手主動釋放
橫跨14個數量級的多尺度操控能力
得益于液態金屬表面張力的寬范圍調控(從約700 mN/m降至接近零),LiMU抓手可實現對從10?12克(皮克級)到102克(百克級)物體的穩定抓取與釋放,覆蓋了微納顆粒、生物細胞、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,并實現了無損釋放。
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圖3 LiMU抓手跨尺度多樣操控
超低接觸壓力與優異生物相容性
LiMU抓手執行操作時的接觸壓力最低可降至約10帕,為已有報道中的最低水平,遠低于大多數脆弱生物組織(如軟體動物、豆腐、葡萄藻)的屈服極限。實驗中,抓手無損轉運日本豆腐、金魚幼苗,甚至蒲公英花,并對200枚斑馬魚胚胎實現了99%成功率的高效操控,后續發育與對照組無顯著差異,充分證明了其優異的生物相容性。
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圖4 LiMU抓手超低接觸壓力
環境自適應與毫秒級動態抓取
聯合團隊設計了一種“環境無關的表面活性調控機構”,通過多孔表面與微通道結構,使抓手在空氣、海水、酸堿溶液等多種環境中均能穩定工作。同時,抓手可在200毫秒內捕獲快速爬行的蟑螂,并能進行無視覺輔助的無序抓取任務,展現出極強的動態適應能力。
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圖5 LiMU抓手動態抓取
致謝
該研究工作得到了國家自然科學基金共融機器人重大研發計劃(92248302),江蘇省杰出青年基金(BK20231522),江蘇省高效自然科學研究重大項目(22KJA510006),蘇州市科技計劃項目(SGC202320)等項目支持。
本文來自“材料科學與工程”公眾號,感謝論文作者團隊支持。
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