理化所在液態金屬打造柔性邏輯門器件及計算執行單元研究中獲進展

　　近年來，柔性運動機器因具有交互友好、通用性強、適用領域廣等優點，引起業界關注。然而，由于此類器件立足于柔性體結構變形的運動機制，與傳統運動理論指導下的剛體機器的運動行為存在不同，因而對柔性對象實施有效、便捷的控制是一項挑戰。在各類嘗試中，依靠智能型柔性材料的特異性響應變化、著力研發控制系統是頗有前景的策略，此類材料可根據其響應變化的特征，實現預先編程，甚至可以擦除/重新編程，從而實現較好的、靈活的操縱性，但新型材料的開發和精細化操控尚非易事。如果考慮將理論成熟的模擬或數字控制范式用于柔性結構，則可以借助到許多現有成果，在控制原理、方案等方面得到有力的幫助；而剛性的電子元器件與柔性結構并不一定能完美兼容，在大規模使用的情況下，可能會出現新的適應性問題。因此，若能從硬件上對傳統控制元器件加以革新，得到“柔軟”的控制單元，還可以沿用發展成熟的相關控制理論，則有望實現人們對柔性機器進行較好控制的愿景。

　　近日，中國科學院理化技術研究所液態金屬與低溫生物研究中心提出并證實了一種新型的基于液態金屬液滴實現的柔性邏輯門器件（AND、OR、NOT、NAND、NOR）、計算單元并由此控制全柔性機器的理論與技術途徑，可望改觀傳統的柔性或剛體智能器件，相關研究成果發表在Advanced Intelligent Systems上。

　　研究系統展示了液態金屬柔性邏輯單元的設計思想，并設計出兩種類型的基礎邏輯單元。其原理在于通過控制開關電壓的大小、操控液態金屬液滴在流道內的運動變形，以實現輸出電路的導通或關斷，從而使設備具備“打開-關閉”的二進制邏輯特征。基于該邏輯單元，可制備出一系列液體邏輯門結構，實現更多樣的邏輯運算和電學信號輸出，從而擴寬液體邏輯控制領域的應用前景。此外，設計制造柔性邏輯器件的最終目的之一，將其充分應用于柔性機器人的控制上，由此實現各種特定功能及行為。為展示該方面的應用，研究用LMS搭建了一個雙路的控制單元，實現了對氣壓累加計算與控制，由此為氣動抓手提供不同的輸入壓力，從而實現了該柔性結構在四種宏觀外形狀態下的靈活變化。

　　碩士研究生李東東和博士研究生劉天英為論文的共同第一作者，研究員劉靜為論文通訊作者。研究工作得到國家自然科學重點基金與中科院前沿科學重點研究計劃的支持。

　　論文鏈接 

圖1.液態金屬邏輯器件的結構設計與實物圖

圖2.液態金屬邏輯器件的工作原理與響應特性曲線

圖3.基于液態金屬邏輯器件可實現的多種邏輯門結構