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能跑步、会爬坡,不是生物,是金属?

2018年01月12日 08:50    作者:    来源:环球科学    [纠错]

  液态金属所具有的神奇特性,或许有可能在未来的智能时代占据重要一席。

  提到常温下的液态金属,其中最被人熟知的是汞,一种让人望而生畏的物质,它易挥发有毒性,以至于人们开始逐步淘汰汞温度计和血压计。而中国科学院理化所研究员、清华大学医学院生物医学工程系教授刘静带领团队所研究的液态金属与汞不同,它在常温常压下保持液态,不会挥发,没有毒性,具有表面张力大、沸点高、导电性强及热导率高的特点,镓铟合金就是液态金属的一种。

能跑步、会爬坡,这不是生物,这居然是金属? 

  前不久,刘静及其研究团队将液态金属与量子器件相联系,提出全液态量子器件,未来相关的器件有可能应用在智能系统以及量子计算领域。相关研究结果发表在预印本网站arXiv上,这是世界上首次提出全液态量子器件的概念。此前,基于液态金属器件,刘静领导的研究团队在国际上首次提出了液态金属计算机的基本概念和技术方案,并已着手将概念向实际硬件方向推进。

  刘静对全液态计算机器件、量子器件的想法并不是空中楼阁,在十几年液态金属的研究中,刘静和团队发现了液态金属的超过40种独特现象。最早他们只是将液态金属用于冷却高集成度计算机芯片,后来逐渐发现了液态金属在电、磁、光、热、化学、机械等外场控制下不同寻常的变化,更是发现液态金属在“吃”掉“燃料”后,能够自主运动等类生物行为。“幸运的是,液态金属领域不少开创性的、原始性的发现是我们做出来的。”刘静说。一系列的首次发现,令刘静及其团队在液态金属领域的研究处于世界领先地位。

  液态金属展现“生物行为”

  “吃东西”、“自主运动”、“胞吞效应”……很难想象这些现象如果发生在钢、铁上会有怎样的景象。这些跟生命有关的这些词看起来跟金属完全没有关系,却在液态金属上有了独特的体现。

  “胞吞效应”是细胞吞噬外界颗粒的过程,它是生物界普遍存在的一种行为。刘静研究组发现,液态金属也具有“胞吞效应”的类生物行为,他们发现溶液环境中的液态金属液滴,在受到电场或化学物质的作用时,会产生类似于细胞吞噬外界颗粒的胞吞效应,能高效地将周围的颗粒吞入体内。2017年5月,这一发现以封面文章形式发表在国际期刊《尖端科学》上。

  2016年,刘静的团队发现液态金属在电场的作用下,可以通过大尺度变形的方式穿过障碍物。

  同样在2016年,刘静团队首次揭示出,在石墨表面,处于自由空间下的液态金属,在电的控制下,能够逆重力蠕动爬坡,这一发现以封面文章的形式发表在国际期刊《先进材料》上。之前,在传统基底材料,如玻璃、塑料等情形下,液态金属会因自身重力较大且表面光滑难以攀爬,并不能通过外电场实现逆重力牵引。

  2015年,刘静与他的团队以内封面文章形式在《先进材料》上发表了题为《仿生型自驱动液态金属软体动物》的论文,描述了镓铟合金这种液态金属,浸在氢氧化钠溶液中,依靠“吞食”一小片铝箔,无需电力就可以自主运动长达1小时,并可以根据环境进行变形,这样非同寻常的特点已经非常接近自然界中简单的软体生物。这为研制液态金属机器人奠定了理论和技术基础。

  在更早期,该研究团队以封面文章形式发表于《先进材料》上的研究,首次揭示了处于溶液中的液态金属可以在外加电场控制下,呈现多变形现象,如旋转、单向运动、分离、融合等。这为研制柔性机器人、微流体智能器件等大量应用开启了全新途径。

  柔性机器人的天然材料

  据IDC的预测,到2020年,全球机器人行业的市值将达到1880亿美元。人们希望未来的机器人更加智能、柔性,能够更好的进行人机自然交互与协作。此前不久,美国科罗拉多大学波尔得分校的研究小组开发的机器人,它专门为“钻入”人体肛门而设计,采用了一种硅橡胶材料,机器人身体非常灵活,比传统结肠镜检查工具更让人感到舒服。这款工具可以在进入人体结肠后,拍摄图像以及取样,帮助医生诊断疾病。如果未来的机器人能够更加柔软、更少依赖外部动力,它将帮助人们执行许多特殊高级的任务。

  然而,目前机器人的研制,包括柔性机器人大多使用刚性材料,比如金属、塑料等材料制成。刘静认为,目前科学界研发出了各种软体动物机器人,包括蠕虫机器人,毛毛虫机器人,章鱼和八爪鱼机器人等,但大多仍属于多个硬质单元组成的机构,与柔软和普适变形乃至融合等高级机器所具备的能力还存在相当大距离,更不同于自然界中人或动物那样的有着柔软外表、无缝平滑的连接。

  液态金属表面张力大、可以变形等特点使它可能成为柔性机器人的天然材料,随着刘静团队在液态金属可控变形机器效应方面的发现,有望促成柔性机器人理论与技术取得重大突破,随着更多液态金属柔性可控变形单元与功能的发现,将促成全新概念的机器人与智能技术的研发,继而开启前所未有的应用空间。

  “液态金属是一大类新兴的功能物质,蕴藏着很多以往没有被认识的新奇的物理特性,它为若干新兴的科学和技术前沿提供了异常丰富的研究空间。”刘静认为。

  刘静希望自己的团队不仅只是液态金属基础效应和科学特性的“发现者”,他也希望能够在应用,甚至产业化发展方面走在世界前列。“火药是中国发现的,但是枪炮却是其它国家创造的。我们希望不仅能够发现,还能够发明。”

【责任编辑:丽丽】

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