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

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

這項出自清華大學、中科院理化技術研究所聯(lián)合小組的研究首次發(fā)現(xiàn)，電場控制下的液態(tài)金屬與水的復合體，可在各種形態(tài)及運動模式之間發(fā)生奇特的轉換行為。成果在《先進材料》在線發(fā)表后，國內(nèi)外掀起了熱議，業(yè)界普遍認為，液態(tài)金屬的這一特性是構筑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(yī)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(yǎng)皿里鋪著一層類似銀漿的溶液，科研人員用兩個電極對“銀漿”實施通電后，有趣的現(xiàn)象產(chǎn)生了。

平鋪在培養(yǎng)皿中的“銀漿”迅速從正極向負極靠攏，并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(xiàn)高速自旋運動，并在周圍水體中誘發(fā)出同樣處于快速旋轉狀態(tài)下的漩渦對。

發(fā)現(xiàn)看似簡單，卻革新了人們對于液態(tài)金屬材料學特性乃至復雜流體行為的基本認識?！霸囼炈沂镜默F(xiàn)象令人著迷……注定會成為重要的研究領域?！薄断冗M材料》審稿人在評審中指出。

“這些‘銀漿’是液態(tài)金屬鎵的合金，其變形機制在于液態(tài)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(xiàn)象并不會受到液態(tài)金屬對象大小的限制?！耙粔K很大的金屬液膜在數(shù)秒內(nèi)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、清華大學博士后盛磊說。

事實上，由于該發(fā)現(xiàn)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(tài)金屬變形體”為題在論文預印本網(wǎng)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(xiàn)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(fā)現(xiàn)，讓人始終感覺到科學探索的巨大魅力?！眲㈧o說。事實上，此次的發(fā)現(xiàn)并非“刻意為之”，而是源于另一項試驗中不期而至的偶然所得。

由于液態(tài)金屬鎵合金具有無毒性、強導電性能以及穩(wěn)定性好等特點，不容易與體液以及周圍器官組織發(fā)生反應，劉靜希望嘗試用它連接并修復受損的神經(jīng)。

然而，當小組成員張潔等人在測試由液態(tài)金屬連通的牛蛙坐骨神經(jīng)的電傳導特性時，不經(jīng)意間發(fā)現(xiàn)周圍散落的液態(tài)金屬微小液滴上出現(xiàn)了令人匪夷所思的自旋轉現(xiàn)象。這讓劉靜產(chǎn)生了一個想法：是否可能通過電場控制實現(xiàn)液態(tài)金屬在各種形態(tài)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(tài)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(jīng)調控，液態(tài)金屬看作‘細胞’功能執(zhí)行單元，通過電子芯片進行編程并結合一定的材料技術，就可以讓液態(tài)金屬實現(xiàn)可控的變形和組裝集成，并實現(xiàn)傳統(tǒng)型剛性和硬質機器人無法做到的無縫連接?！眲㈧o說。

提供豐富研究空間

液態(tài)金屬擁有許多常規(guī)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，為若干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于NaOH溶液中的液態(tài)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(tài)金屬技術的獨特魅力。

未來相關研究有望在民用、醫(yī)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復原形并繼續(xù)執(zhí)行任務；在醫(yī)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(huán)境下，也可發(fā)展對應的機器來執(zhí)行相應任務。

在劉靜看來，好的創(chuàng)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?！眲㈧o說，今后，研究小組還將繼續(xù)圍繞可變形機器這一重大基礎前沿和戰(zhàn)略需求，融合液態(tài)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(tǒng)發(fā)展可變形室溫液態(tài)金屬機器的理論與技術體系，全面揭示室溫液態(tài)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(fā)尖端柔性機器并開辟全新應用創(chuàng)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。