导 读
自然界动物无与伦比的运动能力（图1），长久以来始终激励和启发着人类去打造更为先进的机器人。在迄今已被逐步认识和借鉴的动物形体结构之外，还有哪些重要线索值得人类去学习效仿呢？
实际上，只要将人造机器与自然所创造的生命作一对比，就会发现后者体系内总是充满了大量液体成分如水。也因如此，人类在寻找宇宙生命时，一般都将能否找到水作为生命存在与否的基本判据。正是液体这种精灵般物质的存在，将生物界与了无生气的机器界从根本上区别了开来。那么，生物体特别是动物体内遍布全身的液流系统，会否是引领机器人变革但却长期被严重忽视的基本技术源泉呢？也就是说，要研制前所未有的性能卓越的仿生柔性机器人，或许应该深刻领悟到生物体液系统所提供的重大启示。最近，学术界在这一全新机器人设计原则与基础技术理念的认识上取得突破。
中国科学院理化技术研究所与清华大学联合科研小组，基于其长期以来对液态金属变形效应、经典流体研究特别是液态金属在柔性机器人领域的基础探索，首次系统地提出了一种旨在研制尖端柔性机器人的一般原则，即：液体集成，其原理在于通过将功能性的液体系统纳入作为柔性机器人的核心必备要素，由此发展一系列变革性机器人设计思路。基于这一技术理念，未来柔性机器人体内将拥有如同生命体系那样的液体功能单元，并能以无缝方式将整个机体及功能集成到一起，作者们为此将其命名为智能液体集成功能体（I-LIFE：Intelligent Liquid Integrated Functional Entity)，其缩略语也取“我•生命(I-LIFE)”之意。如果说传统的硅集成电路是固体集成的话，这里的集成则属于液体集成，二者目标均在于借助某种统一载体将各种功能单元集成到一起，不同的是前者形成的是芯片，后者则实现的是机器人高级功能单元，类似于仿生型“组织体液”、“血液循环系统”、“组织”、“器官”等。
研究小组相应论文以封面文章的形式（图2）应邀发表于Wiley旗下的期刊Advanced Intelligent Systems上（T. Y. Liu, P. Qin, J. Liu, Intelligent Liquid Integrated Functional Entity (I‐LIFE): A Basic Way to Innovate Future Advanced Biomimetic Soft Robotics, 2019；https://doi.org/10.1002/aisy.201900017）。
文章第一作者为理化所博士生刘天英，通讯作者为理化所研究员及清华大学教授刘静。
刚体机器人立足于学术界、工业界长久以来在机械、电气及自动化等领域的大量积淀，基础优势可谓得天独厚，但是这类机器人在结构复杂性和灵活性上始终存在天然不足。作为一种替代性的技术，新崛起的柔性机器人被认为具有模仿动物运动的巨大潜力，可望满足层出不穷的各类新应用。在过去十多年来，一系列颇具代表性的柔性机器人成果陆续诞生于全球范围各大实验室。然而，即使对于当今最为先进的柔性机器人，其自身也仍然存在着一系列内在缺陷亟待攻克。可以说，这样的机器人与人类在科幻电影如《终结者》、《机械战警》、《阿丽塔》中想象出的那种机器人仍相距甚远。总体而言，限于发展阶段，当前尖端机器人领域存在着诸多未知亟待认识，人们不仅需要尝试设计更好的机器人模型，尤其需要拿出足够的智慧与勇气，去探明适合柔性机器人的底层基础理论和技术理念。
在机器人近百年的发展历程中，结构仿生一直是众多创意的来源。与之不同的是，自然界生命体内与生俱来的体液系统，却总是被人们有意无意的忽视了。毕竟，对于传统刚体设备来说，液体很容易造成机器载体特别是电路的短路和元件的锈蚀，在相当大程度上是不利因素的代名词。迄今，对于柔性机器人来说，该领域仍然存在着大量基础理论空白，学术界需要全面厘清此类系统应该具备哪些基本架构，以及可以使用何种基础材料等核心要义。正是基于对这些问题的长期探索，刘静小组意识到，自然界众多巧夺天工的水相环境生命设计策略完全值得充分借鉴，此方面需要尽可能地从大自然中寻找线索，将动物的体液系统和柔性机器人的功能需求予以充分结合，以发展全新一代更为高级智慧的柔性机器人。
在这种液体集成的思想下，要让I-LIFE进入柔性机器人，液体就必须能够肩负起各种职能。那么，一个完整的柔性机器人应该具备什么样的基本能力呢？在刘静小组此次发表的论文中，作者们将各类代表性功能归纳为：运动、能量供应、结构调控、传感和智能控制等五个方面，并系统讲解如何将液体集成系统充分介入到上述几个层面，以发挥不可或缺的重要作用。
行使功能的基础，当然是液体自身的理化性质。从物理角度而言，液体常见的特性包括可流动、传递压强、剪切作用下变形，溶解性等；从化学上看，液体通常可以作为物质媒介，为各种各样的微粒提供接触和反应的环境，或是自身直接参与反应，产生化学效应等；而若液体一旦具备电学、磁学或更多特性，则由此实现的机器体系将可展示出更多超越经典机器的非凡能力。
那么液体应该如何参与到这五个方面来？存在哪些可行的模式呢？文章指出，生物的体液系统拥有丰富的功能，就好比是一个资料库，能够不断给人以启迪。
譬如，与蝗虫相比，蜘蛛的腿部肌肉并不发达。在蜘蛛的跳跃中，体内的血淋巴通过静压作用直接协助了动作的完成，这验证了一种基于液压传递的驱动策略（图3）。事实上，液压机械在工程界的广泛应用也可以作为案例的支撑。
再譬如，在人的耳蜗中，分布在半规管中的内淋巴液可以反映人体运动、生成传感信号（图4），从而间接参与到身体平衡的调节中，这背后的机理与液体在扰动下容易变形运动的特点直接相关，同时也为基于液体的平衡调节装置、运动传感器等的设计提供了借鉴思路。
此外，基于弹性体材料的柔性机器人普遍面临着缺乏刚度的问题，当机器人的体型增大后，单纯的弹性材料支撑不起整体的结构；但一般又很难直接使用刚性零件，从而使设计者陷入两难的境地，也在一定程度上限制了柔性机器人的大型化。此方面需要一种刚度可调节的材料，或者结构。就此主题而言，植物体吸水挺拔/失水皱缩（图5）的例子无疑是一种可行的参考。
潜在价值上的分析只是第一步，要制造出液体集成单元(I-LIFE)，还需要寻找到能够承担特定功能的液体，并对这些液体的具体应用加以发掘。毕竟，体液系统也是由不同的液体所构成，它们在组分上各有特点，并分别发挥各自的独特作用。研究小组在论文中列举了磁流变液体、液态金属、离子液体和水（图6），作为初步可推荐的选择。这都是当前有着“独门秘笈”的热门研究对象。
譬如，磁流变液在磁场调控下可以轻易地控制粘度和流态，表现出整体刚度可改变的特性；液态金属在电场下具有丰富的变形运动效应，还有基于噬铝的自驱动效应等，这些均可以作为动力驱动的新策略；离子液体优异的稳定性、溶解性和组分设计上的可选择性，十分有助于其从化学参与的角度发挥作用；而水作为最常见、最普遍的液体，在应用的便捷性、安全性、低成本以及人们的熟悉程度上，有着无与伦比的优势。
同时，不应被忽略的还有对挑战的认识。在一个有限的人造物体内灵活地操控液体发挥特定的作用，是技术追求的理想之一，但同时也是一种巨大挑战。以对流动的精细控制为例，人体血液流动的主要动力来自心脏的泵送，然而在流动过程中还会有弹性血管壁、肌肉等从旁协助，才保障了血液无论在细密的毛细血管还是高压的动脉血管中（图7），都能实现符合需要的流动。对人工实现手段而言，这在理论和技术上均较具挑战性。再譬如，体液与细胞之间的交互作用有着异常精巧的调控机制（基于渗透压的扩膜运输等），这种调控的灵敏性和有效性让人叹为观止；在柔性机器人系统中，当液体和特定结构间也需要通过接触发挥作用时，人们能否实现类似的操控效果？当然，这不仅是液体，也是材料领域面临的挑战。
当然，也应指出，对于未来的柔性机器人，液体集成(I-LIFE)目前还处于理论与技术构建阶段，虽然它充分具备逻辑上的可行性和优势，但仍需今后大量研究不断验证和充实。正如作者所言，在柔性机器人尚处于探索发展的阶段里，今后还有望提出更多的理论或猜想，参与到对设计理论的构建中，从而为全新一代柔性机器人的蓬勃发展打下坚实的基础，直至超越科幻电影中的尖端机器人。
以上工作得到国家自然科学基金委重点项目、中国科学院院长基金及前沿项目的资助。
