中国科学家液态金属新物性发现在国内外引热议

■本报记者冯

你还记得电影《终结者》中可以随意变形和伪装的液态金属机器人吗？最近，中国科学家发现了液态金属的新物理特性，这有望打破科幻小说和现实之间的隔阂，让液态金属机器人进入现实生活。

这项由清华大学和中国科学院物理与化学技术研究所联合开展的研究首次发现，在电场控制下，液态金属和水的复合体可以在各种形式和运动模式之间发生奇怪的转换行为。《先进材料》在网上发布后，在国内外引起了热烈的讨论。业界普遍认为液态金属的这一特性是构建可变形智能机器的基本要素，这标志着柔性机器人新时代的到来。

玻璃器皿中的科技“风暴”

7月4日下午，中国科学院物理化学研究所低温生物与医学实验室。《中国科学报》的记者看到一个直径5厘米、高约2厘米的圆形玻璃培养皿被一种类似银浆的溶液覆盖。在研究人员用两个电极给银浆通电后，一个有趣的现象发生了。

平铺在培养皿中的“银浆”迅速从正极移动到负极，并凝结成几个不同大小的“小银球”。如果你用能量源接近它们，大银球会“吞下”小银球，形成一个更大的球。同时，在电场的控制下，这些“银浆”可以很容易地实现高速旋转运动，并在周围水体中诱发漩涡对，水体也处于快速旋转状态。

这一发现似乎很简单，但它彻底改变了人们对液态金属材料化学性质的基本理解，甚至改变了复杂流体的行为。“实验揭示的现象令人着迷...必将成为一个重要的研究领域。”《先进材料》的评审员在评审中指出。

“这些‘银浆’是液态金属镓的合金，它们的变形机理在于液态金属和水体界面上的双电层效应。”实验室主任刘晶向记者解释道。

此外，变形现象不受液态金属物体尺寸的限制。一个非常大的金属液膜可以在几秒钟内收缩成一个金属液球，它的表面积可以变化几千倍清华大学博士后，研究小组成员盛蕾说。

事实上，由于这一发现具有重大的科学意义和应用价值，早在今年1月，当研究小组以“液态金属可变形体”为题，在论文的预印网站arXiv上发表了一些成果时，就在国际社会引起了巨大反响。

这种机器可以改变外观和形状，呈现各种形状，并且在未来会变得极其丰富多彩，这纯粹是一种科学幻想，但它极大地改变了机器人的概念。

“不可预见”的魅力

“在科学研究的过程中，总会有一些不可预见的发现，人们总会感受到科学探索的巨大魅力。”刘晶说。事实上，这一发现并不是“故意的”，而是来自于另一项实验中的意外收获。

由于液态镓合金具有无毒、导电性强、稳定性好、不易与体液及周围器官和组织发生反应的特点，刘晶希望用它来连接和修复受损的神经。

然而，当小组成员张杰和其他人在测试由液态金属连接的牛蛙坐骨神经的导电特性时，他们无意中发现了一种奇怪的自旋转现象，这种现象发生在分散在周围的微小液态金属液滴上。这给了刘晶一个想法:通过电场控制可以实现液态金属在各种形式和运动模式之间的转换和变形吗？

实验的结果无疑令人惊讶。研究小组一个接一个地发现了以前从未被认识到的液态金属的物理图像。同时，它开辟了一个全新的应用前景，使人们朝着设计和制造柔性机器人的梦想迈出了关键的一步，甚至使液态金属的“终结者”在技术层面上成为可能。

“如果将电子编程视为神经调节，将液态金属视为‘细胞’功能执行单元，通过电子芯片编程结合一定的材料技术，液态金属可以实现可控变形和装配集成，实现传统刚性和刚性机器人无法实现的无缝连接。”刘晶说。

提供丰富的研究空间

液态金属具有许多传统材料不容易具备的性质，并且包含许多以前从未被认识到的新的物理性质，为一些科学技术探索提供了丰富的研究空间。

今年3月初，一群来自澳大利亚的科学家也在美国科学院(PNAS)的学报上报道说，用浸在电子控制的氢氧化钠溶液中的液态金属微球的旋转效应来驱动流体，这也引起了很大的反响。所有这些工作显示了液态金属技术的独特魅力。

在未来，相关的研究有望在民用、医疗、科学探索等许多领域显示其威力。例如，在救灾中，柔性机器人可以通过狭窄的缝隙来恢复它们原来的形状并继续执行任务。在医学治疗中，可以开发出沿血管移动的柔性机器人，包括人体的自然管腔。即使在外层空间探索中处于微重力或失重状态，也可以开发相应的机器来执行相应的任务。

在刘晶看来，好的创新不能总是在前人开辟的领域里修补。最好是真正开拓一个科学领域。

"这是一个极其重要的领域，将逐渐被世界所认识."刘晶表示，今后，研究团队将继续关注可变形机械这一重大基础前沿和战略需求，整合液态金属材料、生物学、机器人、流体力学、电子学、传感器和计算机等学科知识，系统开发可变形室温液态金属机械的理论和技术体系，全面揭示室温液态金属的超常构象转变、变形和运动机理及控制方法。 以期为未来精密柔性机械的研发创造条件，开拓新的应用领域，最终推动变形机械从理论到应用技术的全面突破。

中国科学新闻(2014-07-10，第一版集锦)