液态金属液滴旋转桨电机

一种新型微小电机

从电动牙刷到喷气发动机，旋转部件驱动着现代生活的许多方面。这项研究探索了一种截然不同的旋转实现方式：以液态金属液滴为电机核心。作者通过利用在施加电压时液滴内出现的自然流动，构建了一个简单、紧凑的旋转电机，未来有望为微型泵、软体机器人或体内医疗器械提供动力。

把液体变成运动

大多数常见电机由固体部件组成：线圈、磁体、轴承和轴。在这里，中心的“活动部件”是一滴光滑的银白色软合金液滴，由镓和铟组成，常温下呈液态。液滴置于碱性盐溶液中，位于两极之间。当施加电压时，液滴表面张力变得不均匀，沿表面驱动高速流动。这些表面流反过来在液滴内部搅动涡流。研究者没有让液滴单纯滑动或摆动，而是将一只微小的铜桨插入其中，并将液滴固定在浅凹槽内，使内部涡流能够直接推动桨叶并使其转动。

液体之心中的巧妙桨叶

铜桨呈小型十字形，穿过液滴，充当电机的轴。一端伸出液面以便与外界连接，而外壳上的狭缝防止周围液体泄漏。液滴周围设有旁通通道，使流体能够平稳循环，避免在一侧积聚液体破坏驱动运动的电场。实质上，液态金属液滴像一个微观水轮，不会生锈，也没有传统的轴承或齿轮。

调节电信号以加速旋转

为获得强劲且高效的运动，团队没有使用稳态电流，而是以仅几千分之一秒持续的脉冲快速切换电压。这些脉冲信号在产生强烈内部流动的同时，给予液滴短暂的“恢复”时间，让其表面从会抑制运动的化学变化中恢复。经过合适的脉冲时序和电压，电机的转速可达到约320转每分钟——比早期基于液态金属的电机（约60转每分钟）快好几倍。与恒定电压相比，脉冲方法还将能耗大约减半。

寻找设计的最佳点

研究者系统地探讨了几何形状和运行条件如何影响性能。他们发现液滴尺寸和桨叶在液滴中的精确位置至关重要。过小的液滴导致流动微弱；过大的液滴在重力作用下会变扁，扰乱内部涡流。桨叶在直径约3毫米液滴的上半部位置旋转效果最佳。电极间距也很关键：若过近，电场会变得不均匀并使液滴移位，从而降低性能。电场的数值模拟结合高速摄像的旋转桨叶录像帮助他们绘制出这些最佳条件。

从实验室示范到未来器件

作为实用性的证明，团队在液滴外的桨轴上连接了一个微小螺旋桨。电机持续驱动该螺旋桨超过一小时，速度仅随电解液缓慢蒸发和液滴收缩而逐渐下降。尽管该电机能提供的转矩——即扭矩——仍远低于商用电机，但这一设计表明液态金属可以在没有复杂机械结构的情况下可靠地将电能转换为旋转。通过进一步减少能量损失并提升转矩，这类基于液滴的电机有望成为微流控、软体机器人和生物医学工程中柔性微型器件的关键组成部分。

这项工作的意义

对非专业人士而言，这项工作表明“电机”不必像日常电器中的刚性金属圆筒。通过利用液态金属液滴内部的自然流体运动，研究者创造出一种紧凑、自成一体的旋转电机，几乎没有固态运动部件。虽然它不会取代汽车发动机或工厂设备，但这一新概念为在传统硬件无法进入的环境中运行的微小、温和且可适应的电机开辟了路径——例如在软体机器人、芯片级实验室设备，甚至在活体组织内。

引用: Fuchs, R., Nor-Azman, NA., Tang, SY. et al. A liquid metal droplet rotary paddle motor. npj Flex Electron 10, 27 (2026). https://doi.org/10.1038/s41528-026-00528-6

关键词: 液态金属, 软体机器人, 微型电机, 电化学致动, 微流控