走近“颠覆性技术”：液态金属能给计算带来什么

溶液中液态金属活性模拟图。中国科学院物理化学研究所提供的图纸:李姿

在普通人眼中，液态金属可能是温度计中流动的水银，也可能是高温锅炉中沸腾的铁水。但在科学家眼中，它是流动的柔软生命，连接人类神经的桥梁，是未来机器人革命的核心材料……不久前，我国的一个科研团队率先将液态金属与世界上的量子设备和计算技术联系起来。更快更智能的计算一直是人类的目标。液态金属预示着新的计算机革命吗？

液态金属是一种在常温常压下保持液态的合金。它具有良好的导电性和丰富的物理前景。

液态金属，字面上，是一种保持液态的金属。如镓铟合金，是一种在常温常压下保持液态的合金。液态金属具有良好的导电性和丰富的物理前景。

那么，液态金属与计算机革命有什么关系？这必须从计算机的原理开始。

以晶体管为代表的半导体元件是现代计算机的基本逻辑单元。原理是通过控制晶体管的电压来确定数据是“1”还是“0”。这种经典的逻辑操作模式是二进制的。在此基础上，人们建造“加、减、乘、除”等计算单元，开发可编程芯片，计算机就可以进入我们的生活。

目前，芯片生产已经进入集成电路时代。通常，单位芯片上集成的晶体管越多，计算性能越好。科学和工业正在不断缩小晶体管的尺寸，提高单位面积的集成度。在过去40年左右的时间里，半导体芯片一直遵循摩尔定律，即每18个月，集成度加倍，性能加倍，产品价格减半。这确保了我们享受更便宜、更快捷的计算体验。

然而，计算机专家预测，随着晶体管逐渐走向物理极限，“摩尔定律”肯定会失败，计算机“进化”将遇到瓶颈。

目前，14纳米芯片已经批量生产，相当于一根头发丝的七分之一。这已经测试了制造过程。未来的改进空间正在逐渐缩小。

此外，现代计算机遵循冯·诺依曼的基本系统。该系统的硬件系统由五大部分组成:运算单元、存储器、控制器、输入设备和输出设备。这个系统在过去的几十年里促进了计算机的快速发展，但是它需要将数据存储在内存中并依靠内存来执行操作的想法，使得计算机的发展受到芯片的限制。

一方面，它是传统计算机发展的一个可预见的瓶颈；另一方面，这是物联网、大数据和人工智能带来的对计算升级的需求。为了提高信息处理能力，研究人员要么开发多核芯片，要么探索不同于冯·诺依曼系统的架构，要么超越经典物理世界，开发新一代计算机，后者以量子计算机为代表。

液态金属使灵活的计算系统具有高度的灵活性、智能性和可控性。

液态金属以其独特的性质进入了科学家的视野。

不同于普通的导电介质，液态金属在不同的环境中具有不同的导电性。这个看似微不足道的变化对科学家来说很有价值。

中国科学院物理和化学教授、清华大学兼职教授刘晶是中国液态金属研究领域的领军人物。他和他的团队惊讶地发现液态金属的电导率随着温度、氧化程度和磁场强度而变化很大。因此，就像晶体管电压的控制被用来构造运算基础一样，科学家可以改变外部环境，控制液态金属的状态，并利用其在不同状态下的导电差异作为可控的逻辑计算单元。

例如，在温度控制装置的帮助下，液态金属的环境温度可以在固态和液态之间转换。因为固态和液态的电阻值不同，我们可以把它们理解为“0”和“1”，例如，固态被设置为“1”，液态被设置为“0”。刘晶说，在此基础上，可以建立基于液态金属的内存和逻辑单元，甚至计算系统。

正是由于这一特性，液态金属可以成为计算的核心逻辑单元，从而带来了革新传统计算机的可能性。刘晶说，与传统的电子计算机不同，从宏观到纳米尺度的金属液滴可以通过各种物理场效应在液体环境中组装并编程到逻辑器件中。

传统的计算机以顺序执行指令的方式运行。由液态金属制成的计算机运行速度可能会更快，因为它可以同时以多种方式编程，并且可以以高度并行性同时执行多条指令。液态金属还具有更好的散热性能和更少的热量产生。此外，液态金属还具有流体柔性和*变形的特性，可用于制造柔性液态电子甚至半导体单元。

正如物理学家和计算机专家预测的那样，量子计算可能是新一代计算机的一种重要形式。液态金属如何为量子计算机的发展添加燃料？

与传统计算机不同，量子计算机使用量子叠加和纠缠来实现逻辑运算。量子计算机的运行模式决定了量子算法的上限和潜力远远高于经典算法。然而，刘晶认为，就核心设备和物理实现方法而言，当前的量子计算机像传统计算机一样，由固态设备组成。例如，量子计算机的核心逻辑单元超导隧穿器件的结构通常由中间层和两侧组成，中间层是绝缘薄层，两侧是导电介质电极。

从理论上讲，由于这些结构是实心的，不能变形或分割，一旦准备好了，就只能根据它们的具体结构实现相应的功能，其应用可能会受到限制刘晶说。

如果所有的设备都是液体，会发生什么？为此，刘晶团队提出了一种全液体量子器件和制备方法，并发现由于液体的柔韧性和可变形性，表面很容易在原子水平上达到完美的光滑度。同时，全液体量子器件的中间液层厚度可以通过力场、电场、磁场等各种物理场来调控，液膜间隙可以达到很小的尺度甚至完全消失，满足实现量子计算机运行所需尺度的要求。这样，整个系统就有可能实现高度的灵活性、智能性和可控性。刘晶认为基于液态金属的计算机架构可能预示着下一代计算机的雏形。

在液态金属的研究中，我国处于领先地位。

液态金属被称为人类利用金属的第二次革命。目前，基于液态金属的许多重大革命性应用仍是可以想象的，但它们拓宽了人类对世界的认知范围。

液态金属与计算和智能之间的神奇联系并非昙花一现，而是基于科学家多年的不断研究。随着对液态金属机理认识的加深，研究者们探索了许多应用方向。

2013年，刘晶团队将液态金属制成“墨水”用于印刷，首次直接在纸上产生电子电路。一年后，世界上第一台室温液态金属打印机的开发为个性化定制电路生产提供了解决方案。

2014年6月，刘晶团队成功地用液态金属“桥接”了断裂的神经，建立了一条信号通路，为修复和重建人类神经功能提供了可能性，开辟了其在生物医学领域的前景。

看过电影《终结者》的人一定会对能改变形状并快速恢复的机器人印象深刻。2015年3月，刘晶带领研究团队首次开发了一种自动移动的可变形液态金属机器。

2016年，液态金属机器人将向前进化，做出更复杂的动作。刘晶团队发现液态金属不仅能“吃”，还能跑、跳，甚至能把东西向前带。“目前，世界上先进机器人的研发竞争十分激烈。液态金属开启了机器人的想象力，有望成为机器人改革的重要引擎。”

当然，液态金属还远未成为真正的终结者。“从自然界生物进化的角度来看，这相当于现在细胞的培养。为了使它成为一个完整的仿生柔性机器人，需要培养肌肉、神经、骨骼和其他组织。”刘晶说。

中国在液态金属研究方面处于领先地位，是中国向世界输出的原始科研成果的代表。近年来，液态金属的研究逐渐成为世界关注的一个重大科技热点。

“我国已经积累了大量关于液态金属的研究。许多国际机构都在朝我们开辟的方向进行研究，但一个重大突破可能会改变现有模式。一些发达国家的实验室凭借其在学术话语中的强势地位，也可能影响科学界的判断。我们需要不断地谈论重大的成就。”刘晶说。

"一类材料，一个时代."刘晶认为，液态金属作为一种特殊的功能材料，表现出领先和开拓重大科技前沿的特点。它有望在电子信息、先进制造、柔性机器人、生物医疗和健康领域带来颠覆性变革，并催生一系列战略性新兴产业。“我希望更多国内外优秀团队参与进来，共同应对液态金属研究面临的重大挑战。”