中國液體金屬新突破：“液態終結者”理論上可行

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電場控制下的液態金屬大尺度變形以及液態金屬球之間的粘連與融合現象。

液態金屬：在科幻與現實之間

還記得電影《終結者》中那個可任意變形偽裝的液態金屬機器人嗎？近日，我國科學家的一項有關液態金屬新物性的發現將有望打破科幻與現實之間的藩籬，讓液態金屬機器人走入現實生活。

這項出自清華大學、中科院理化技術研究所聯合小組的研究首次發現，電場控制下的液態金屬與水的覆合體，可在各種形態及運動模式之間發生奇特的轉換行為。成果在《先進材料》在線發表後，國內外掀起了熱議，業界普遍認為，液態金屬的這一特性是構築可變形智能機器的基本要素，預示著柔性機器人新時代的到來。

玻璃皿中的科技“風暴”

7月4日下午，中科院理化所低溫生物與醫學實驗室。《中國科學報》記者看到，一個直徑5厘米、高約2厘米的圓形玻璃培養皿裏鋪著一層類似銀漿的溶液，科研人員用兩個電極對“銀漿”實施通電後，有趣的現象產生了。

平鋪在培養皿中的“銀漿”迅速從正極向負極靠攏，並凝聚成幾顆大小不一的“小銀球”；再用電源接近它們，大銀球就會“吞掉”小銀球，進而形成一個更大的球體。同時，在電場控制下，這些“銀漿”很容易實現高速自旋運動，並在周圍水體中誘發出同樣處於快速旋轉狀態下的漩渦對。

發現看似簡單，卻革新了人們對於液態金屬材料學特性乃至覆雜流體行為的基本認識。“試驗所揭示的現象令人著迷……註定會成為重要的研究領域。”《先進材料》審稿人在評審中指出。

“這些‘銀漿’是液態金屬鎵的合金，其變形機制在於液態金屬與水體交界面上的雙電層效應。”實驗室主任劉靜向記者解釋說。

而且，變形現象並不會受到液態金屬對象大小的限制。“一塊很大的金屬液膜在數秒內就可以收縮成單顆金屬液球，其表面積改變幅度可高達上千倍。”課題組成員、清華大學博士後盛磊說。

事實上，由於該發現巨大的科學意義與應用價值，早在今年1月，當研究小組以“液態金屬變形體”為題在論文預印本網站arXiv公布部分成果時，就在國際上引起重大反響。

這種可以改變外表形狀，呈現各種造型，未來色彩極為濃厚的機器，雖純屬科學幻想，卻使人類對機器人的概念有了重大改變。

“未可預見”的魅力

“科學研究過程中總是蘊藏著一些未可預見的發現，讓人始終感覺到科學探索的巨大魅力。”劉靜說。事實上，此次的發現並非“刻意為之”，而是源於另一項試驗中不期而至的偶然所得。


電場控制下的液態金屬球高速自旋運動以及由此誘發的周邊流體渦漩現象。

由於液態金屬鎵合金具有無毒性、強導電性能以及穩定性好等特點，不容易與體液以及周圍器官組織發生反應，劉靜希望嘗試用它連接並修覆受損的神經。

然而，當小組成員張潔等人在測試由液態金屬連通的牛蛙坐骨神經的電傳導特性時，不經意間發現周圍散落的液態金屬微小液滴上出現了令人匪夷所思的自旋轉現象。這讓劉靜產生了一個想法：是否可能通過電場控制實現液態金屬在各種形態和運動模式之間的轉換與變形？

實驗結果無疑是令人驚喜的。研究組揭開了一個又一個以往從未被認識到的液態金屬物理圖景，同時開啟了嶄新的應用前景，使人們向夢寐以求的柔性機器人設計和制造邁出了關鍵性的一步，甚至有望在技術層面讓液體金屬“終結者”成真。

“如果把電子編程看作是神經調控，液態金屬看作‘細胞’功能執行單元，通過電子芯片進行編程並結合一定的材料技術，就可以讓液態金屬實現可控的變形和組裝集成，並實現傳統型剛性和硬質機器人無法做到的無縫連接。”劉靜說。

提供豐富研究空間

液態金屬擁有許多常規材料不易具備的屬性，蘊藏著諸多以往從未被認識的新奇物理特性，為若幹科學與技術探索提供了豐富的研究空間。

今年3月初，一組來自澳大利亞的科學家們也在《美國科學院院刊》（PNAS）上報道了利用電控下浸沒於NaOH溶液中的液態金屬微球的旋轉效應來驅動流體的工作，同樣引起較大反響，這些工作均展示出液態金屬技術的獨特魅力。

未來相關研究有望在民用、醫療、科學探索等多個領域一展身手。比如，在救災中，柔性機器人可以穿過狹小的空隙再恢覆原形並繼續執行任務；在醫療中，可研制沿血管包括人體自然腔道運動的柔性機器人。甚至，在外太空探索中的微重力或無重力環境下，也可發展對應的機器來執行相應任務。

在劉靜看來，好的創新不能總在前人開辟的領域進行修修補補，最好能真正開辟一個科學領域。

“這是一個異常重要的領域，一定會逐漸被世界所認知。”劉靜說，今後，研究小組還將繼續圍繞可變形機器這一重大基礎前沿和戰略需求，融合液態金屬材料、生物學、機器人、流體力學、電子、傳感器以及計算機等學科的知識，系統發展可變形室溫液態金屬機器的理論與技術體系，全面揭示室溫液態金屬超常的構象轉換、變形與運動機理及調控方法，以期為未來研發尖端柔性機器並開辟全新應用創造條件，最終促成可變形機器從理論到應用技術上的全面突破。（記者馮麗妃）

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