還記得電影《終結(jié)者》中那個(gè)可任意變形偽裝的液態(tài)金屬機(jī)器人嗎？近日，我國科學(xué)家的一項(xiàng)有關(guān)液態(tài)金屬新物性的發(fā)現(xiàn)將有望打破科幻與現(xiàn)實(shí)之間的藩籬，讓液態(tài)金屬機(jī)器人走入現(xiàn)實(shí)生活。

這項(xiàng)出自清華大學(xué)、中科院理化技術(shù)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(fù)合體，可在各種形態(tài)及運(yùn)動模式之間發(fā)生奇特的轉(zhuǎn)換行為。成果在《先進(jìn)材料》在線發(fā)表后，國內(nèi)外掀起了熱議，業(yè)界普遍認(rèn)為，液態(tài)金屬的這一特性是構(gòu)筑可變形智能機(jī)器的基本要素，預(yù)示著柔性機(jī)器人新時(shí)代的到來。

玻璃皿中的科技“風(fēng)暴”

7月4日下午，中科院理化所低溫生物與醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室。記者看到，一個(gè)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(gè)電極對“銀漿”實(shí)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(fù)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(jìn)而形成一個(gè)更大的球體。同時(shí)，在電場控制下，這些“銀漿”很容易實(shí)現(xiàn)高速自旋運(yùn)動，并在周圍水體中誘發(fā)出同樣處于快速旋轉(zhuǎn)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(xué)特性乃至復(fù)雜流體行為的基本認(rèn)識。“試驗(yàn)所揭示的現(xiàn)象令人著迷……注定會成為重要的研究領(lǐng)域。”《先進(jìn)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(jī)制在于液態(tài)金屬與水體交界面上的雙電層效應(yīng)。”實(shí)驗(yàn)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。“一塊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(dá)上千倍。”課題組成員、清華大學(xué)博士后盛磊說。

事實(shí)上，由于該發(fā)現(xiàn)巨大的科學(xué)意義與應(yīng)用價(jià)值，早在今年1月，當(dāng)研究小組以“液態(tài)金屬變形體”為題在論文預(yù)印本網(wǎng)站arXiv公布部分成果時(shí)，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(jī)器，雖純屬科學(xué)幻想，卻使人類對機(jī)器人的概念有了重大改變。

“未可預(yù)見”的魅力

“科學(xué)研究過程中總是蘊(yùn)藏著一些未可預(yù)見的發(fā)現(xiàn)，讓人始終感覺到科學(xué)探索的巨大魅力。”劉靜說。事實(shí)上，此次的發(fā)現(xiàn)并非“刻意為之”，而是源于另一項(xiàng)試驗(yàn)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(qiáng)導(dǎo)電性能以及穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，不容易與體液以及周圍器官組織發(fā)生反應(yīng)，劉靜希望嘗試用它連接并修復(fù)受損的神經(jīng)。

然而，當(dāng)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(dǎo)特性時(shí)，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(zhuǎn)現(xiàn)象。這讓劉靜產(chǎn)生了一個(gè)想法：是否可能通過電場控制實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬在各種形態(tài)和運(yùn)動模式之間的轉(zhuǎn)換與變形？

實(shí)驗(yàn)結(jié)果無疑是令人驚喜的。研究組揭開了一個(gè)又一個(gè)以往從未被認(rèn)識到的液態(tài)金屬物理圖景，同時(shí)開啟了嶄新的應(yīng)用前景，使人們向夢寐以求的柔性機(jī)器人設(shè)計(jì)和制造邁出了關(guān)鍵性的一步，甚至有望在技術(shù)層面讓液體金屬“終結(jié)者”成真。

“如果把電子編程看作是神經(jīng)調(diào)控，液態(tài)金屬看作‘細(xì)胞’功能執(zhí)行單元，通過電子芯片進(jìn)行編程并結(jié)合一定的材料技術(shù)，就可以讓液態(tài)金屬實(shí)現(xiàn)可控的變形和組裝集成，并實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)型剛性和硬質(zhì)機(jī)器人無法做到的無縫連接。”劉靜說。

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(yùn)藏著諸多以往從未被認(rèn)識的新奇物理特性，為若干科學(xué)與技術(shù)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(xué)家們也在《美國科學(xué)院院刊》（PNAS）上報(bào)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(zhuǎn)效應(yīng)來驅(qū)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(shù)的獨(dú)特魅力。

未來相關(guān)研究有望在民用、醫(yī)療、科學(xué)探索等多個(gè)領(lǐng)域一展身手。比如，在救災(zāi)中，柔性機(jī)器人可以穿過狹小的空隙再恢復(fù)原形并繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)；在醫(yī)療中，可研制沿血管包括人體自然腔道運(yùn)動的柔性機(jī)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(yīng)的機(jī)器來執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)。

在劉靜看來，好的創(chuàng)新不能總在前人開辟的領(lǐng)域進(jìn)行修修補(bǔ)補(bǔ)，最好能真正開辟一個(gè)科學(xué)領(lǐng)域。

“這是一個(gè)異常重要的領(lǐng)域，一定會逐漸被世界所認(rèn)知。”劉靜說，今后，研究小組還將繼續(xù)圍繞可變形機(jī)器這一重大基礎(chǔ)前沿和戰(zhàn)略需求，融合液態(tài)金屬材料、生物學(xué)、機(jī)器人、流體力學(xué)、電子、傳感器以及計(jì)算機(jī)等學(xué)科的知識，系統(tǒng)發(fā)展可變形室溫液態(tài)金屬機(jī)器的理論與技術(shù)體系，全面揭示室溫液態(tài)金屬超常的構(gòu)象轉(zhuǎn)換、變形與運(yùn)動機(jī)理及調(diào)控方法，以期為未來研發(fā)尖端柔性機(jī)器并開辟全新應(yīng)用創(chuàng)造條件，最終促成可變形機(jī)器從理論到應(yīng)用技術(shù)上的全面突破。