你以為只有貓是液體的？機器人也可以是液體的！ | 饒偉

風聲之家 2020-06-10

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原創(chuàng) 格致論道格致論道講壇今天

“偶然性和必然性是相互關(guān)聯(lián)的。正是由于團隊長期對液態(tài)金屬工作的堅持，長期對它背后基礎(chǔ)科學問題的研究積累，從冷門做到熱門，才有了很多意外的收獲?！?/span>

饒偉

中國科學院理化技術(shù)研究所研究員

今天非常榮幸可以跟大家一起分享液態(tài)金屬的前世和今生。

說到液態(tài)金屬，很多人都會想到一部電影 ——《終結(jié)者2》。這部電影構(gòu)筑了一個液態(tài)金屬機器人的形象。

《終結(jié)者2》液態(tài)金屬機器人：科幻與現(xiàn)實？

這樣的一個機器人可以在固體和液體之間自由轉(zhuǎn)換，可以穿墻破壁，甚至可以自由塑形，可以奔跑，在受到槍擊之后也可以很神奇地進行自我修復。這樣一個無所不能的機器人形象給我們帶來了無數(shù)的遐想。

科幻電影制作中充滿了想象，但是很多的科幻都是有著它的現(xiàn)實和科學基礎(chǔ)的。

構(gòu)建液態(tài)金屬機器人，其中最為關(guān)鍵的就是室溫液態(tài)金屬材料。

室溫液態(tài)金屬材料

什么是室溫液態(tài)金屬材料呢？

從字面上理解，它要在室溫下兼具流體和金屬兩種材料的特性?？梢詫崿F(xiàn)肆意的流動，同時還可以有不同的形狀。

室溫液態(tài)金屬

常見的室溫液態(tài)金屬有下面幾種類型。

一種是金屬汞。生活中常用的水銀溫度計當中用到的材料就是汞，但是汞有毒，并且很容易揮發(fā)，現(xiàn)在已經(jīng)被國家全面禁用了。

第二類就是鈉鉀合金。我博士期間主要的研究對象就是鈉鉀合金。一般做實驗的時候肯定要把滅火器放在旁邊隨時備用，因為鈉鉀合金的化學性質(zhì)太活潑了，遇到水之后非常容易產(chǎn)生燃燒，甚至是爆炸。

再有一類液態(tài)金屬是金屬銫及銫的同位素。銫的同位素具有很強的放射性。

所以，從安全性的角度來說，這三類材料都不太適合在日常生活當中對它進行操控和利用。

有沒有一類室溫液態(tài)金屬沒有毒，不揮發(fā)，同時化學性質(zhì)也沒有那么活潑，而且沒有放射性？

還真有，就是鎵以及它的二元、三元以及多元的合金。

鎵的合金的發(fā)現(xiàn)其實也有很長的歷史了，我們可以利用它高導熱的特點，把高密度熱流所產(chǎn)生的熱從一個地方轉(zhuǎn)移到另外一個地方實現(xiàn)有效的散熱。

2002年，我們團隊在國際上首次提出了基于室溫液態(tài)金屬的芯片冷卻技術(shù)。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，目前液態(tài)金屬散熱在芯片散熱，LED燈，激光器等領(lǐng)域都開始發(fā)揮它相應的作用。

近期我們也運用液態(tài)金屬散熱系統(tǒng)給無人機定制了一個特殊的散熱系統(tǒng)。

這樣的無人機由于它加載了高功率密度的激光器，所以對散熱的要求是非常高的。液態(tài)金屬散熱以及相應的熱界面材料可以很好解決它的散熱問題。

如果只是把液態(tài)金屬運用到散熱，今天的故事就可以結(jié)束了。但是，大家想聽的液態(tài)金屬機器人的故事還沒開始呢。

開啟液態(tài)金屬機器人的大門

對于科學工作者來說，要想實現(xiàn)從液態(tài)金屬散熱到液態(tài)金屬機器人也是一個逐步探索的過程。在很長的時間里并沒有一個很好的解決辦法。

在一個很偶然的實驗中，我們把液態(tài)金屬、電解質(zhì)、電極這三個基本的要素結(jié)合在一起。

當時在做一個利用液態(tài)金屬修復神經(jīng)的工作，當把這三個要素結(jié)合在一起的時候，我們發(fā)現(xiàn)液態(tài)金屬可以在電極的引導下實現(xiàn)一個定向的運動。

這樣的一個很神奇的發(fā)現(xiàn)，可以說開啟了液態(tài)金屬機器人新世界的大門。

把這三個要素從機體轉(zhuǎn)移到一個開放的玻璃器皿當中，又可以看到這樣一個液態(tài)金屬二維的薄膜，它可以在很短的時間之內(nèi)，縮為一個三維的液態(tài)金屬液滴，實現(xiàn)一個比表面積1000倍范圍的一個變化。

大尺度變形：不同構(gòu)象之間轉(zhuǎn)換

更進一步，我們希望這是可逆的，它的變形能否實現(xiàn)呢？答案是肯定的。

通過添加和去除液態(tài)金屬液滴表面的氧化層，在電場和化學場的協(xié)同作用下就可以實現(xiàn)可逆變形。

可逆變形：電化學協(xié)同控制

除了變形之外，液態(tài)金屬可以實現(xiàn)一個定向運動，在電場的引導下，它可以從空間的一端穿過比自身直徑小十幾倍的狹小的隙縫，運動到空間的另外一端。

變形+運動

遇到斜坡的時候它也可以很努力地像毛毛蟲一樣實現(xiàn)一個逆重力攀爬的結(jié)果。

電控逆重力攀爬

在這樣的實驗中實現(xiàn)了自由塑形的效應，通過調(diào)控它的機理，可以輕松得到液態(tài)金屬線，三角形的液態(tài)金屬，以及正方形的液態(tài)金屬等等，當然更多復雜的形狀也可以很輕松地得到。

自由塑形

剛剛展示的都是液態(tài)金屬在電場調(diào)控下的一系列行為。其他的外場有沒有可能對液態(tài)金屬產(chǎn)生影響呢？答案也是肯定的。

下圖展示的就是液態(tài)金屬在磁場的調(diào)控下合并并且逆重力攀爬的過程。

磁控：變形+運動

液態(tài)金屬磁性材料不但可以進行變形，還可以進行磁性的重構(gòu)，實現(xiàn)了柔性順磁性材料的很多新運用。

除了磁場之外，熱場也可以對液態(tài)金屬產(chǎn)生一定的調(diào)控，下面幾張圖展示了利用外激光對液態(tài)金屬復合材料進行自主調(diào)控的過程。

熱控：變形+運動

復合材料構(gòu)筑了這樣一個“章魚”，激光器指哪兒它就打哪兒，甚至在溫度高的時候還可以流出幾滴章魚的眼淚，此外它還可以像毛毛蟲一樣進行伸縮前進。

熱控：變形+運動

液態(tài)金屬機器人研究的分水嶺和進展

再往前我們希望能夠構(gòu)筑更加復雜，甚至更加智能化的液態(tài)金屬機器人。

提到智能化，有一類機器人就是類生物體的機器人，它最基本的特征就是可以在沒有任何外場的驅(qū)動下實現(xiàn)自主運動。

液態(tài)金屬機器人可不可以實現(xiàn)呢？

說到這兒，不得不提到我們又一個偶然的實驗發(fā)現(xiàn)。當時在實驗當中，我們的同學希望找到一個東西撥動液態(tài)金屬液滴，當時手邊并沒有什么工具，所以她隨手撕了一張鋁箔，撥動了這個液滴。

自驅(qū)動液態(tài)金屬機器人

沒想到這個液滴吃下了鋁箔，同時在電解質(zhì)溶液當中實現(xiàn)了沒有外場驅(qū)動的自主旋轉(zhuǎn)長達一個多小時。在各種形狀的溝槽當中，它也可以進行運動。

這樣的發(fā)現(xiàn)可以說是劃分液態(tài)金屬機器人研究分水嶺的事件，當時也引起了非常大的影響，世界上主要的相關(guān)媒體都對這個現(xiàn)象做了相應的報道，這也入選了當年的兩院院士評選的十大新聞進展之一。

再往前進化，類生物體的機器人還有一個很卓越的特征：它一般是固液組合式的，就像人一般是由堅硬的骨骼和柔軟的肌肉所組成。

液態(tài)金屬機器人有沒有可能實現(xiàn)自驅(qū)動固液組合機器呢？

說到這兒又不得不提到我們另外一個偶然的發(fā)現(xiàn)。在自驅(qū)動機器人發(fā)現(xiàn)的過程當中，我們的同學用到了鋁箔。在組合機器的實驗中，我們也想找到一個東西把液態(tài)金屬液滴挪到一個合適的位置。

這次我們的同學找到了一個比較靠譜的東西，就是銅絲，當把這個銅絲插入到液態(tài)金屬液滴之后，液滴很迅速地把銅絲給吃了進去，它可以自激振蕩，同時我們還可以對振幅和頻率進行調(diào)控。

自驅(qū)動固液組合機器：自激振蕩效應

生命最基本的特征是具有節(jié)律性和周期性，現(xiàn)在液態(tài)金屬的類生物體機器人也可以具有這樣的特性。所以這個效應讓我們對液態(tài)金屬機器人有了更多的思考。

類生物體機器人還有一個基本的效應就是胞吞效應，液態(tài)金屬機器人可不可以實現(xiàn)這樣的一個功能呢？

類生物體特征：胞吞效應

通過上面的動圖可以看到，液態(tài)金屬可以很輕松地把表面附著的一層銅顆粒吞入體內(nèi)，實現(xiàn)胞吞效應。

說到類生物，我們知道自然界還有一類很神奇的生物體，可以通過變色，把自己和周圍的環(huán)境偽裝成一體，然后進行隱身。

液態(tài)金屬一直是以銀白色的金屬光澤來示人的，它有沒有可能變成各種各樣的顏色呢？

說到這兒，又不得不提到另外一個偶然的事件，當時我們要拍一個科普視頻，所以就想重復一下液態(tài)金屬變形的實驗，我就安排了我的學生來重復這個實驗。

在他重復這個實驗的過程當中，可能是經(jīng)驗不足，在液態(tài)金屬液滴當中多加了一些鋁。

這使液態(tài)金屬在變形的同時還實現(xiàn)了一個變色的效果，從淡黃到棕色，然后再到更深的顏色，這個現(xiàn)象帶給我們非常大的驚喜。

類生物體特征:基于結(jié)構(gòu)色的變色效應

為什么會有這樣一個變色的現(xiàn)象呢？

進一步的實驗發(fā)現(xiàn)，它的變色其實跟它的氧化層的厚度有非常緊密的關(guān)系，氧化層改變了光路的影響。

類生物體特征:基于結(jié)構(gòu)色的變色效應

掌握了這樣的基本原理之后，我們就對它的氧化層厚度進行了精密的調(diào)控。它可以變成黃色的液態(tài)金屬、黑色的液態(tài)金屬，甚至是五顏六色、彩虹色的液態(tài)金屬。

通過以上的介紹，大家可以發(fā)現(xiàn)目前液態(tài)金屬可以在各種外場，電、磁，甚至是聲、光、熱、化學等場的控制下實現(xiàn)各種各樣的功能。進化到現(xiàn)在，它也能跑會跳，能走會吃。

生命體的進化是一個非常有意思的過程，人類的產(chǎn)生也是從單細胞到多細胞，從水生動物再到陸生動物。

目前人類的進化經(jīng)歷了五億多年的光景。液態(tài)金屬機器人從最早的電控機器人的產(chǎn)生，到目前也只不過短短五年的光景。

在未來有沒有可能會產(chǎn)生突破碳基生命的液態(tài)金屬生命，像《終結(jié)者2》當中的液態(tài)金屬機器人一樣，可以自我變形，自我修復，具有思維，具有運動能力等等？

我們認為還是有這種可能性的。

在我們團隊發(fā)表液態(tài)金屬機器人相關(guān)的研究之前，國際上進行液態(tài)金屬研究的團隊可以說是屈指可數(shù)。

現(xiàn)在很多不同學科的研究者都涌入到液態(tài)金屬研究領(lǐng)域，相信這種多學科的交叉肯定會賦予液態(tài)金屬機器人更多新的生命。

液態(tài)金屬的神奇應用

液態(tài)金屬機器人確實非常神奇，在我們的實際生活當中，除了散熱，液態(tài)金屬還可以有哪些神奇的應用呢？

說到這兒我又不得不再次重提一下偶然事件。

我們在做實驗的過程當中，很多次無意中把液態(tài)金屬液滴滴落在桌面上，或者是采集數(shù)據(jù)的電腦屏幕上。我們習慣性的動作就是去輕輕涂抹這一滴金屬，隨著涂抹，很多情況下會得到一條連續(xù)的金屬線。

所以，我們就想能不能用它來制作電子電路呢？

傳統(tǒng)電子電路的制作是非常繁瑣的，需要刻蝕，還需要很多復雜儀器的幫助。而液態(tài)金屬電子電路的制作過程是非常簡單的。

打破制造的不平等：通向普適制造的液態(tài)金屬印刷電子學

像上面視頻當中所展示的這樣，它可以直接把液態(tài)金屬墨水打印在機底上面，一步成形，不需要任何外部的輔助。

下面這些動態(tài)圖展示了液態(tài)金屬印刷電子在方方面面的應用。它可以在智能空間，人機交互，柔性的電子屏，即學即用的教育學領(lǐng)域，甚至是在未來的物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域發(fā)揮神奇的作用。

液態(tài)金屬印刷電子在方方面面的應用

此外，我們可以把很多經(jīng)典的世界名畫，很多古典的藝術(shù)作品，通過液態(tài)金屬打印印刷在機底上。同時，由于液態(tài)金屬打印導電的特性，還可以賦予這些藝術(shù)作品一個光和影融合的效果。

科學與藝術(shù)的融合

還可以把液態(tài)金屬打印在織物上，利用液態(tài)金屬的光影效果和服裝本身的設(shè)計，達到一個特別美好的呈現(xiàn)。

科學與時尚的融合

除此之外，液態(tài)金屬還可以跟服裝進行有機結(jié)合。把液態(tài)金屬的柔性電路和充滿時尚感的服裝進行有機融合，液態(tài)金屬可以充當服裝當中電路的一個連接的橋梁，制造一個非常好的光效，相當于把一片星空穿在了自己的身上。

最后，還有幾句想跟大家一起分享的話。如果大家問我有沒有一種材料可以滿足我們所有的想象？我的答案一定是液態(tài)金屬。

在我們發(fā)現(xiàn)液態(tài)金屬很多神奇效應的背后，充滿了各種各樣的偶然性。但是，偶然性和必然性是相互關(guān)聯(lián)的。正是由于團隊長期對液態(tài)金屬工作的堅持，長期對它背后基礎(chǔ)科學的積累才有了很多意外的收獲。

不同于其他材料技術(shù),很多是由國外先發(fā)現(xiàn)，然后我們再進行相應的跟蹤模仿，二次創(chuàng)新，甚至是超越。而液態(tài)金屬相關(guān)的材料以及它的技術(shù)是發(fā)源于中國，壯大于中國的。

人們以石器時代、青銅器時代、鐵器時代、新材料時代來刻畫歷史文明的發(fā)展，可以看出材料、工業(yè)經(jīng)濟和人類文明的發(fā)展是息息相關(guān)的。

隨著更多液態(tài)金屬材料的發(fā)現(xiàn)，我們相信人類在未來也很有可能會進入液態(tài)金屬時代，利用液態(tài)金屬改變?nèi)藗兊恼J知，改變我們的科學理念，改變我們的技術(shù)水平，進而改變我們?nèi)祟惖奈镔|(zhì)文明。

饒偉：液態(tài)金屬來自格致論道講壇00:0017:59

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