近年来，柔性运动机器由于具有交互友好、通用性强、适用领域广等优点，在业界引发的关注度与日俱增。然而，由于此类器件立足于柔性体结构变形的运动机制，与传统运动理论指导下的刚体机器的运动行为存在有很大不同，因此对柔性对象实施有效、便捷的控制一直是重大挑战。在各类不断涌现的尝试中，依靠智能型柔性材料的特异性响应变化、着力研发控制系统是一种颇有前景的策略，此类材料可以根据其响应变化的特征，实现预先编程，甚至可以擦除/重新编程，从而实现较好的、灵活的操纵性。但尽管如此，新型材料的开发和精细化操控尚非易事。如果考虑将理论成熟的模拟或数字控制范式用于柔性结构，则可以借助到许多现有成果，在控制原理、方案等方面得到有力的帮助；但问题在于，刚性的电子元器件与柔性结构并不一定能完美兼容，在大规模使用的情况下，可能会出现新的适应性问题。因此，若能从硬件上对传统控制元器件加以革新，得到“柔软”的控制单元，同时还可以沿用发展成熟的相关控制理论，则有望实现人们对柔性机器进行较好控制的愿景。
　　近日，来自中科院理化所液态金属与低温生物研究中心的科研小组，提出并证实了一种新型的基于液态金属液滴实现的柔性逻辑门器件（AND, OR, NOT, NAND, NOR）、计算单元并由此控制全柔性机器的理论与技术途径，可望改观传统的柔性或刚体智能器件，相应论文发表于Wiley旗下期刊Advanced Intelligent Systems上（D.-D. Li, T.-Y. Liu, J. Ye, L. Sheng, and J. Liu, Liquid Metal-Enabled Soft Logic Devices, 2021, 2000246），文章共同第一作者为硕士生李东东和博士生刘天英，通讯作者为刘静研究员。
　　研究小组系统展示了液态金属柔性逻辑单元的设计思想，并设计出两种类型的基础逻辑单元。其原理在于通过控制开关电压的大小、操控液态金属液滴在流道内的运动变形，以实现输出电路的导通或关断，从而使设备具备“打开——关闭”的二进制逻辑特征。基于该逻辑单元，可制备出一系列液体逻辑门结构，实现更加多样的逻辑运算和电学信号输出，从而扩宽液体逻辑控制领域的应用前景。此外，设计制造柔性逻辑器件的最终目的之一，是将其充分应用于柔性机器人的控制上，由此实现各种特定功能及行为。为展示该方面的应用，研究人员用LMS搭建了一个双路的控制单元，实现了对气压累加计算与控制，由此为气动抓手提供不同的输入压力，从而实现了该柔性结构在四种宏观外形状态下的灵活变化。
　　以上研究得到国家自然科学重点基金及中国科学院前沿项目支持。
　　论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aisy.202000246

图1 液态金属逻辑器件的结构设计与实物图

图2 液态金属逻辑器件的工作原理与响应特性曲线

图3 基于液态金属逻辑器件可实现的多种逻辑门结构

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