Science fiction bliver videnskabsfaktum, da forskere skaber flydende metalhjerteslag

I en banebrydende opdagelse, University of Wollongong (UOW) forskere har skabt en "hjerteslag"-effekt i flydende metal, får metallet til at pulsere rytmisk på en måde, der ligner et bankende hjerte.

Deres resultater er offentliggjort i 11. juli-udgaven af Fysisk gennemgangsbreve , verdens førende tidsskrift for fundamental fysikforskning.

Forskerne producerede hjerteslag ved elektrokemisk at stimulere en dråbe flydende gallium, får det til at svinge på en regelmæssig og forudsigelig måde. Gallium (Ga) er et blødt sølvfarvet metal med et lavt smeltepunkt, bliver flydende ved temperaturer over 29,7C.

Opdagelsen har potentielle anvendelser til væskebaserede timere og aktuatorer i kunstige muskler, blød robotik og "lab-on-a-chip" mikrofluidisk kredsløb.

Professor Xiaolin Wang, en nodeleder og temaleder ved ARC Center of Excellence for Future Low Energy Electronics Technologies (FLEET), ledet forskerholdet fra UOW's Institute for Superconducting and Electronic Materials inden for Australian Institute for Innovative Materials.

"Ved at designe en speciel elektrode og tilføre spænding til dråber af flydende metal var vi i stand til at få metallet til at bevæge sig som et bankende hjerte, " sagde professor Wang.

Mens lignende hjerteslagseffekter tidligere er blevet skabt i flydende kviksølv, dette giver en uregelmæssig bevægelse, som er svær at deaktivere eller kontrollere. Kviksølv har den ekstra ulempe, at det er meget giftigt.

Flydende gallium, derimod er ikke-giftig og producerer en regelmæssig bevægelse (ved frekvenser fra 30-100 slag i minuttet afhængigt af tyngdekraftens indflydelse og størrelsen af ​​faldet), hvilket gør det potentielt til langt større nytte.

Professor Wang sagde, at hans forskning i flydende metaller var inspireret dels af biologiske systemer og dels af science fiction, inklusive formskifte, flydende metal "T-1000"-robot i den James Cameron-instruerede film Terminator 2:Judgment Day .

"Til mig, intet er fiktion – science fiction er et videnskabsfaktum, der ikke er blevet opdaget endnu. Når jeg ser en effekt i science fiction, tænker jeg på, hvordan vi kan skabe den funktionalitet i det virkelige liv, " han sagde.

"Jeg vil ikke skabe en Terminator-robot, rolig, men funktionaliteten af ​​den flydende robot kan være nyttig i den virkelige verden, så jeg ønskede at opdage flere funktionaliteter i flydende metal.

"Væskerobotten fra Terminator 2 havde to funktioner. Den ene var at ændre dens form og derefter genoprette den. Den anden var at skifte fra en blødere til en hårdere tilstand - hvis du husker scenen, hvor den rakte armen ud og forvandlede den til et sværd, det blev fra et blødt metal til et hårdt.

"De to funktioner er blevet opdaget. En gruppe i Kina og en anden gruppe i USA opdagede den første, ændre form og derefter genoprette den, og det var min forskningsgruppe her på UOW, der opdagede det andet fænomen, overgang fra en blød tilstand til en hård tilstand ved at påføre en spænding.

"Vi udviklede også en måde at danne ethvert mønster med det samme, herunder at skrive, på flydende metal uden at røre det. Min oprindelige idé var at finde en måde at reproducere "korncirkler"-effekten i vores laboratorium.

"Og nu har vi skabt en funktionalitet i flydende metal, som selv James Cameron ikke var i stand til at forestille sig:hvordan man får det til at bevæge sig som et bankende hjerte."

Mens forskningspapiret fokuserer på gennembruddets fundamentale fysik – at forstå hvordan og hvorfor det flydende gallium opfører sig som det gør – snarere end dets anvendelser, Professor Wang sagde, at der var en række potentielle anvendelser.

"Der er så mange applikationer til enheder bygget med blødere materialer, " han sagde.

"Blød robotteknologi er vores fremtid. For at udvikle bløde robotter har vi brug for en kraft til at drive det bløde væv til at bevæge sig, så meget naturligt tænker vi på et blødt hjerte for en blød robot.

"I mange biologiske systemer, hos mennesker og dyr, det er hjertet, der driver alt. Så et metalhjerteslag kunne bruges som en pumpe, som drivkraften til at transportere væske gennem en kanal."

Dr. David Cortie, en ISEM-forsker og en af ​​artiklens medforfattere, sagde den selvregulerende karakter af det flydende gallium-hjerteslag gjorde det til en god kandidat til en række anvendelser.

"Timingen af ​​hjerteslag forekommer naturligt, du behøver ikke bruge nogen kompliceret elektronik for at få timingen til at fungere, derfor er selvreguleret pumpning en mulighed, " sagde Dr. Cortie.

"Noget andet, vi foreslog, var oscillatorer. I elektronik har du ofte brug for en tidsstyring, for eksempel noget, der sender en puls to gange i sekundet, så analogt, denne funktionalitet kan være nyttig for væskebaserede timere i mikrofluidisk kredsløb."

'Opdagelse af en spændingsstimuleret hjerteslagseffekt i dråber af flydende gallium' af Zhenwei Yu, Yuchen Chen, Frank F. Yun, David Cortie, Lei Jiang, og Xiaolin Wang udkommer den 11. juli i Fysisk gennemgangsbreve .