液态金属:在科幻与现实之间

还记得电影《终结者》中那个可任意变形伪装的液态金属机器人吗?近日,我国科学家的一项有关液态金属新物性的发现将有望打破科幻与现实之间的藩篱,让液态金属机器人走入现实生活。

这项出自清华大学、中科院理化技术研究所联合小组的研究首次发现,电场控制下的液态金属与水的复合体,可在各种形态及运动模式之间发生奇特的转换行为。成果在《先进材料》在线发表后,国内外掀起了热议,业界普遍认为,液态金属的这一特性是构筑可变形智能机器的基本要素,预示着柔性机器人新时代的到来。

玻璃皿中的科技“风暴”

7月4日下午,中科院理化所低温生物与医学实验室。《中国科学报》记者看到,一个直径5厘米、高约2厘米的圆形玻璃培养皿里铺着一层类似银浆的溶液,科研人员用两个电极对“银浆”实施通电后,有趣的现象产生了。

平铺在培养皿中的“银浆”迅速从正极向负极靠拢,并凝聚成几颗大小不一的“小银球”;再用电源接近它们,大银球就会“吞掉”小银球,进而形成一个更大的球体。同时,在电场控制下,这些“银浆”很容易实现高速自旋运动,并在周围水体中诱发出同样处于快速旋转状态下的漩涡对。

发现看似简单,却革新了人们对于液态金属材料学特性乃至复杂流体行为的基本认识。“试验所揭示的现象令人着迷……注定会成为重要的研究领域。”《先进材料》审稿人在评审中指出。

“这些‘银浆’是液态金属镓的合金,其变形机制在于液态金属与水体交界面上的双电层效应。”实验室主任刘静向记者解释说。

而且,变形现象并不会受到液态金属对象大小的限制。“一块很大的金属液膜在数秒内就可以收缩成单颗金属液球,其表面积改变幅度可高达上千倍。”课题组成员、清华大学博士后盛磊说。

事实上,由于该发现巨大的科学意义与应用价值,早在今年1月,当研究小组以“液态金属变形体”为题在论文预印本网站arXiv公布部分成果时,就在国际上引起重大反响。

这种可以改变外表形状,呈现各种造型,未来色彩极为浓厚的机器,虽纯属科学幻想,却使人类对机器人的概念有了重大改变。

“未可预见”的魅力

“科学研究过程中总是蕴藏着一些未可预见的发现,让人始终感觉到科学探索的巨大魅力。”刘静说。事实上,此次的发现并非“刻意为之”,而是源于另一项试验中不期而至的偶然所得。

由于液态金属镓合金具有无毒性、强导电性能以及稳定性好等特点,不容易与体液以及周围器官组织发生反应,刘静希望尝试用它连接并修复受损的神经。

然而,当小组成员张洁等人在测试由液态金属连通的牛蛙坐骨神经的电传导特性时,不经意间发现周围散落的液态金属微小液滴上出现了令人匪夷所思的自旋转现象。这让刘静产生了一个想法:是否可能通过电场控制实现液态金属在各种形态和运动模式之间的转换与变形?

实验结果无疑是令人惊喜的。研究组揭开了一个又一个以往从未被认识到的液态金属物理图景,同时开启了崭新的应用前景,使人们向梦寐以求的柔性机器人设计和制造迈出了关键性的一步,甚至有望在技术层面让液体金属“终结者”成真。

“如果把电子编程看作是神经调控,液态金属看作‘细胞’功能执行单元,通过电子芯片进行编程并结合一定的材料技术,就可以让液态金属实现可控的变形和组装集成,并实现传统型刚性和硬质机器人无法做到的无缝连接。”刘静说。

提供丰富研究空间

液态金属拥有许多常规材料不易具备的属性,蕴藏着诸多以往从未被认识的新奇物理特性,为若干科学与技术探索提供了丰富的研究空间。

今年3月初,一组来自澳大利亚的科学家们也在《美国科学院院刊》(PNAS)上报道了利用电控下浸没于NaOH溶液中的液态金属微球的旋转效应来驱动流体的工作,同样引起较大反响,这些工作均展示出液态金属技术的独特魅力。

未来相关研究有望在民用、医疗、科学探索等多个领域一展身手。比如,在救灾中,柔性机器人可以穿过狭小的空隙再恢复原形并继续执行任务;在医疗中,可研制沿血管包括人体自然腔道运动的柔性机器人。甚至,在外太空探索中的微重力或无重力环境下,也可发展对应的机器来执行相应任务。

在刘静看来,好的创新不能总在前人开辟的领域进行修修补补,最好能真正开辟一个科学领域。

“这是一个异常重要的领域,一定会逐渐被世界所认知。”刘静说,今后,研究小组还将继续围绕可变形机器这一重大基础前沿和战略需求,融合液态金属材料、生物学、机器人、流体力学、电子、传感器以及计算机等学科的知识,系统发展可变形室温液态金属机器的理论与技术体系,全面揭示室温液态金属超常的构象转换、变形与运动机理及调控方法,以期为未来研发尖端柔性机器并开辟全新应用创造条件,最终促成可变形机器从理论到应用技术上的全面突破。