В мире представлен первый в мире жидкометаллический двигатель, не содержащий жестких компонентов.
2026-03-04
Жидкие металлы, прежде всего материалы на основе галлия и его сплавов, в последние годы активно применяются в реконфигурируемых и мягких функциональных системах, биомедицинских устройствах, мобильных платформах, насосных узлах и мягкой робототехнике. Особый интерес представляют проводящие капли, сохраняющие жидкое состояние при комнатной или близкой к ней температуре. Их поведение в электролитической среде достаточно подробно изучено с точки зрения гидродинамики.
Однако практический опыт показывает, что одного лишь учета гидродинамических факторов недостаточно для реализации точного и воспроизводимого управления движением жидкометаллических капель, приводимых в движение электрическим полем (LMD, liquid metal droplets). Даже для таких, казалось бы, элементарных операций, как поступательное перемещение на заданное расстояние или остановка «по требованию», электроприводимые LMD до сих пор демонстрируют ограниченную управляемость и нестабильность режимов.
Причина, по-видимому, кроется в более сложной природе процессов. В системах «галлиевая капля — электролит» реализуются электрокинетические и электро-гидродинамические течения, на которые существенно влияет тонкий поверхностный слой оксидов (включая оксид галлия и водородсодержащие соединения), формирующийся в результате электрохимических реакций. Этот нанометровый, но механически значимый оксидный слой изменяет поверхностное натяжение, межфазную динамику и распределение зарядов, что, в свою очередь, трансформирует характер движения капли.
Для преодоления указанного ограничения исследовательская группа Университета Нового Южного Уэльса (UNSW) предложила использовать стратегию импульсной временной модуляции (Pulse Time Modulation, PTM). Суть метода заключается в подаче модулированного сигнала: в фазе приложения напряжения («включенное состояние») электрическое поле инициирует электро-капиллярные потоки, обеспечивающие поступательное движение капли; в фазе снятия напряжения («выключенное состояние») происходит частичное растворение или восстановление поверхностного оксидного слоя, что предотвращает его накопление и связанное с этим торможение.
Комплексный экспериментальный подход, включавший высокоскоростную видеосъемку, алгоритмы трекинга движения, методы машинного обучения и электрохимический анализ, позволил детально раскрыть механизм взаимодействия электро-гидродинамических потоков и процессов формирования/растворения поверхностного оксида. Было показано, что именно управляемая чередуемость этих стадий формирует устойчивые и четко воспроизводимые кинематические режимы движения.
Результаты работы опубликованы в январе 2024 года в журнале Advanced Functional Materials под названием «Stroking through Electrolyte: Liquid Metal Droplet Propulsion through Pulse Time Modulation».
Предложенная стратегия импульсной временной модуляции принципиально меняет подход к управлению LMD. В отличие от традиционного режима постоянного напряжения, при котором постепенное накопление оксидного слоя приводит к снижению скорости и потере эффективности, импульсное питание обеспечивает высокоскоростное, стабильное и энергоэффективное движение. Практическая состоятельность метода подтверждена его успешной интеграцией в конструкцию жидкометаллического роторного электродвигателя, где реализовано управляемое и устойчивое вращательное движение на основе описанного принципа.
01 Первый в мире жидкометаллический двигатель без жестких компонентов
Совместная группа исследователей из Университета Нового Южного Уэльса и Сиднейского университета разработала первый в мире жидкометаллический двигатель без жестких компонентов, результаты работы которого опубликованы в журнале *Flexible Electronics*. Медная лопатка, под воздействием электрического поля в солевом растворе, приводится во вращение вихрями, создаваемыми каплями жидкого металла. (Источник: Университет Нового Южного Уэльса, Австралия)
Устройство помещает капли на основе галлия в солевой раствор; подача низкого напряжения генерирует вихри внутри них, заставляя медную лопатку непрерывно вращаться со скоростью 320 оборотов в минуту, что является рекордом для жидкометаллических актуаторов.
Этот двигатель не требует катушек, магнитов или подшипников. Он гибкий и растяжимый, адаптируется к сложным изогнутым поверхностям, подобно жидкости, обеспечивая самоподдерживающийся крутящий момент в ограниченных пространствах, таких как мягкие роботы, гибкая электроника, микрофлюидные чипы и сосудистые микророботы.
Эксперименты показывают, что его рабочее напряжение составляет менее 1 вольта, что демонстрирует высокую биосовместимость и полную деградацию в организме, обеспечивая безопасное питание для имплантируемых капсул, самоскладывающихся стентов и многого другого.
Исследовательская группа отмечает, что его простая структура и совместимость с микромасштабным производством позволяют предположить, что гибкие двигатели могут в будущем производиться массово, подобно чернилам для печати, что изменит ландшафт энергетики от носимых устройств до прецизионной медицины. В этом жидкометаллическом двигателе в качестве основного приводного элемента используется капля жидкого сплава галлия-индия (EGaIn), нагретого до комнатной температуры. Капля помещается в напечатанный на 3D-принтере полимерный контейнер, заполненный 2М водным раствором гидроксида натрия, концентрация которого создает стабильный поток Марангони. Графитовый электрод расположен на каждом конце контейнера, а переменные электрические импульсы создают однородное электрическое поле между электродами. EGaIn естественным образом образует оксидную пленку в щелочном растворе и непрерывно растворяется, образуя заряженные ионы. Под действием приложенного электрического поля на поверхности капли возникает неравномерное поверхностное натяжение, то есть эффект Марангони, создающий конвективные вихри внутри капли. Образовавшийся внутри капли вихревой поток непосредственно приводит в движение медные лопасти, преобразуя микроскопическую гидродинамику в макроскопическое механическое вращение.
02 Ключевые параметры производительности
В ходе эксперимента этот новый двигатель продемонстрировал беспрецедентные характеристики вращения при импульсном напряжении. При коэффициенте заполнения импульса 1:1 и пиковом напряжении импульса 10 В двигатель достиг пиковой скорости приблизительно 320 об/мин. Эта скорость представляет собой значительный скачок по сравнению с ранее сообщенными показателями <60 об/мин. Двигатель продемонстрировал превосходные характеристики непрерывной работы. Исследователи установили небольшой пропеллер на конце медного пропеллера в качестве выходной нагрузки, изолировав его от электролитной среды и напрямую соединив с внешней механической системой. При импульсном сигнале двигатель мог непрерывно вращаться не менее 80 минут без перерыва.
3.У Китая тоже есть похожее «решение»
Группа исследователей под руководством Лю Цзина из Института физики и химии Китайской академии наук опубликовала статью под названием «Реверсивная настройка жидкометаллического двигателя под вращающимся магнитным полем» в журнале *Advanced Functional Materials*, впервые сообщив об уникальном аномальном явлении реверсирования в самодвижущемся жидкометаллическом двигателе под вращающимся магнитным полем и продемонстрировав предварительное применение этого эффекта в перемешивании жидкостей и быстром нагреве. Изучая самодвижение жидкометаллического двигателя на основе галлия, работающего на алюминии, исследовательская группа обнаружила, что, регулируя объем двигателя под вращающимся магнитным полем, можно изменить направление его движения. Дальнейшее исследование систематически выявило лежащий в основе механизм и закономерности этой аномалии посредством экспериментов и теоретического анализа.
Жидкий металл на основе галлия (ЖМ), помещенный в щелочной раствор NaOH, образует структуру электрического двойного слоя за счет адсорбции ионов на его поверхности. При комнатной температуре добавляется 1% по массе алюминиевого листа. При контакте жидкого сплава GaIn10 с алюминием он проникает в кристаллическую решетку алюминия. Этот процесс разрушает оксидную пленку на поверхности алюминия в растворе, что впоследствии приводит к ряду сложных явлений. Активация алюминия ускоряет реакцию с гидроксид-ионами (OH-), что приводит к электромиграции ионов OH- внутри структуры электрического двойного слоя. После завершения реакции расплавленный жидкий металл всасывается обратно в полость с помощью шприца, а затем вводится в чашку Петри, мгновенно диспергируясь в многочисленные крошечные самодвижущиеся жидкометаллические двигатели (ЖМД). При активации вращающегося магнитного поля двигатели, которые изначально сталкивались случайным образом, начинают двигаться упорядоченным круговым движением против часовой стрелки вдоль края чашки Петри, в направлении, противоположном вращению магнита, как показано на рисунке ниже.
В предыдущих исследованиях жидкий металл, независимо от добавления магнитных частиц, мог двигаться только в одном направлении, следуя за магнитом. Чтобы выяснить, является ли это явление изменения направления вращения уникальным для жидкометаллических двигателей, исследовательская группа сравнила реакции нескольких других металлических сфер в вращающемся магнитном поле, включая капли GaIn10 диаметром 2 мм, медные шарики, магнитные шарики из неодима, железа и бора, капли GaIn10 диаметром 12 мм, а также направление движения жидкометаллического двигателя, как показано на рисунке ниже. Среди этих металлических сфер только жидкометаллический двигатель мог менять направление движения при разных объемах: в малых объемах он вращался в направлении, противоположном магниту, а в больших объемах — в том же направлении, что и магнит. Когда жидкометаллический двигатель достигал критического порогового объема, он переходил в переходное состояние. На основе распределения алюминия и пузырьков на поверхности в реальном времени было обнаружено, что двигатель сохранял свое вращение на месте, сопровождаемое колебаниями и растяжением на определенной частоте.
Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, магнитное поле индуцирует ток внутри жидкого металла. Направление силы Ампера в плоскости x-y совпадает с направлением движения магнита. Из-за разницы в электроотрицательности алюминия и GaIn10 жидкометаллический двигатель представляет собой гальванический элемент, и внутренний ток эффективно усиливает отклик на магнитное поле. Наблюдения с помощью высокоскоростной камеры показали, что под воздействием вращающегося магнитного поля область накопления электрохимической реакции располагается на хвостовом конце жидкометаллического двигателя, а изменение распределения заряда на электрическом двойном слое дополнительно приводит к асимметричному поверхностному натяжению на обоих концах двигателя. На рисунке ниже сравнивается механизм движения различных металлических сфер под действием магнитного поля. Для жидкометаллических двигателей малого объема основными движущими силами являются градиент поверхностного натяжения и отдача пузырьков. В то же время, плавучесть, создаваемая пузырьками, может изменять окружающее давление, что значительно снижает сопротивление, в конечном итоге заставляя жидкометаллический двигатель малого объема двигаться в направлении, противоположном магниту. По мере увеличения объема сила Ампера постепенно становится доминирующей, и жидкометаллический двигатель большого объема меняет направление движения, двигаясь в том же направлении, что и магнит.
В эксперименте для регистрации положения и скорости жидкометаллических двигателей малого и большого объема во времени использовалась технология слежения за целью. Эта информация сравнивалась с траекторией неупорядоченного движения жидкометаллического двигателя без магнитного поля, как показано на рисунке ниже. Были рассчитаны изменения величины и направления скорости двигателя при увеличении объема. Было обнаружено, что начальная скорость постепенно уменьшалась в направлении, противоположном магнитному полю. После прохождения фазы вращения в пределах критического порогового диапазона жидкометаллический двигатель изменил направление и начал двигаться в направлении магнитного поля. После этого величина скорости стала положительно коррелировать с объемом.
Наконец, на основе управляемого движения жидкометаллического двигателя под воздействием вращающегося магнитного поля исследовательская группа разработала микромиксер для демонстрации его дальнейших применений, как показано на рисунке ниже. Микромиксер с жидкометаллическим двигателем в качестве ротора не только упрощает структуру каналов потока традиционных миксеров, но и обеспечивает быстрое и равномерное смешивание жидкостей. Объем жидкометаллического двигателя может гибко регулироваться в зависимости от объема смешиваемой жидкости, размера емкости и требуемой эффективности. Его высокая теплопроводность также позволяет быстро нагревать жидкость внутри камеры. Кроме того, благодаря присущей жидкому металлу проводимости, текучести и возможности переконфигурации, введение электрического поля позволяет быстро восстановить работу жидкометаллического двигателя.
Данная работа значительно улучшает непрерывное управление автономными жидкометаллическими двигателями в масштабе от микролитра до миллилитра, предоставляя новый бесконтактный метод манипулирования для будущей разработки микроминиатюрных мягких роботов.
-
-
WeChat
