可以流動的金屬機(jī)器人

思源

在1991年上映的電影《終結(jié)者2：審判日》中，未來機(jī)器人和人類發(fā)生了一場大戰(zhàn)，超級電腦“天網(wǎng)”為了阻止人類領(lǐng)袖康納，派出了機(jī)器人T-1000從未來穿越到20世紀(jì)末追殺少年時期的康納，與此同時，成年的康納也派出了機(jī)器人T-800——由阿諾·施瓦辛格飾演的機(jī)器人男主回到過去，保護(hù)年幼的自己，一場大戰(zhàn)就此展開。

相信只要是看過這部電影的人，都會對電影里的反派機(jī)器人T-1000印象深刻。它可以隨意變形成任何形狀，被子彈打中或者融化后，又可以重新復(fù)原，十分不可思議。

現(xiàn)在，T-1000這樣的機(jī)器人將不再是神話，它可能成為現(xiàn)實(shí)！科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種簡單的復(fù)合液態(tài)金屬，它可以“吃掉燃料”，自行運(yùn)動和改變形狀。因此，研究者們將其命名為液態(tài)金屬軟體動物。雖然和電影中人形的T-1000還有一些差距，但是它為液態(tài)金屬機(jī)器人的未來鋪平了道路。

前景廣闊的液態(tài)金屬

說起液態(tài)金屬，很多人第一個想到的是水銀，也就是金屬汞，它是常溫常壓下唯一以液態(tài)存在的單金屬。由于汞在常溫下就能蒸發(fā)，且汞蒸汽和汞化合物多有劇毒，所以人們一度對液態(tài)金屬有著很深的刻板印象，這阻礙了人們對液態(tài)金屬的關(guān)注。

實(shí)際上，除了水銀，還有許多合金在室溫甚至很低的溫度時，也是液態(tài)的，比如鎵銦合金（以一定配比制成合金后，在室溫下呈現(xiàn)液態(tài)）。復(fù)合型液態(tài)金屬，尤其是鎵基液態(tài)金屬現(xiàn)在被視為一種未來材料，它既有固體金屬一樣出色的導(dǎo)電性，又可以像水一樣自由流動，而且通過人為調(diào)控（改變金屬組成和配比等），可以成為不同性能的優(yōu)化材料，從而在工業(yè)和醫(yī)學(xué)等多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

首先把液態(tài)金屬引入工業(yè)領(lǐng)域的就是計算機(jī)散熱問題。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，計算機(jī)的運(yùn)算速度越來越快，更高的運(yùn)算速度意味著更多的熱量，因此計算機(jī)的散熱成了阻礙計算機(jī)芯片發(fā)展的難關(guān)。液態(tài)金屬的熱導(dǎo)率非常高，可以實(shí)現(xiàn)更加高效的熱量輸運(yùn)，并且擁有極限散熱能力。特別是液態(tài)金屬的沸點(diǎn)在2000℃左右，能夠經(jīng)受很高溫度而不會被汽化。

另外，人們還可以利用液體金屬來打印金屬電路，實(shí)現(xiàn)電路的快速制造。這里有一個小趣聞，當(dāng)時在清華大學(xué)劉靜教授帶領(lǐng)的研究小組里，有一次，液態(tài)金屬飛濺到了研究員的電腦屏幕上，結(jié)果一些金屬殘留在電腦屏幕上，根本擦不下來。研究人員就此發(fā)現(xiàn)了液態(tài)金屬材料在不同的基底表面上的粘附性存在巨大差異。當(dāng)液態(tài)金屬被涂覆在特定的基底表面上，粘附性很大時，它就會固定在上面，我們便可以隨意打印出任何圖案。

最后，液態(tài)金屬還可以應(yīng)用在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，來連接受損的神經(jīng)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遍布于人體全身，神經(jīng)損傷與斷裂在醫(yī)學(xué)上極為普遍。當(dāng)前，治療周圍神經(jīng)損傷主要的方法是自體神經(jīng)移植，但該方法卻受到供區(qū)神經(jīng)來源不足、供區(qū)神經(jīng)功能喪失，以及供區(qū)神經(jīng)結(jié)構(gòu)和尺寸不匹配等限制。因此，尋找合適的神經(jīng)移植替代物一直是神經(jīng)修復(fù)領(lǐng)域中的重大挑戰(zhàn)。

由于神經(jīng)的功能主要是通過電信號的傳輸和響應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的，使用液態(tài)金屬作為高傳導(dǎo)性神經(jīng)信號通路，可以使神經(jīng)信號在神經(jīng)元間持續(xù)不斷地傳遞，大大加速神經(jīng)的修復(fù)過程。

柔性機(jī)器人

了解完神奇的液態(tài)金屬，讓我們回到開篇的話題——柔性機(jī)器人。所謂柔性機(jī)器人就是指可以在不同形態(tài)之間自由可控轉(zhuǎn)換的可變形機(jī)器人。由于液態(tài)金屬是一種不定型金屬，可看作由正離子流體和自由電子氣組成的混合物，英國蘇賽克斯大學(xué)的研究人員就曾使用外加電場控制液態(tài)金屬內(nèi)電荷的排布，從而控制液態(tài)金屬的形狀，外加電場并不是固定的，可以通過電腦程序隨時改變，因此研究人員可以靈活地控制液態(tài)金屬的形狀和運(yùn)動。

不過，人為控制液態(tài)金屬并沒有什么好驚奇的。真正讓我們感到意外的是液態(tài)金屬軟體動物，它可以“吞食”金屬鋁，然后保持1到2個小時的運(yùn)動狀態(tài)。實(shí)際上，金屬鋁和鎵基液態(tài)金屬接觸時，金屬鋁中的電子流向鎵基合金，造成不同部位的電荷產(chǎn)生差異，從而引起液態(tài)金屬的運(yùn)動。而且實(shí)驗(yàn)中的液態(tài)金屬是置于氫氧化鈉溶液中的，被液態(tài)金屬“吃了”的鋁也會和溶液發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣，進(jìn)一步推動液態(tài)金屬運(yùn)動。

在清華大學(xué)劉靜教授的實(shí)驗(yàn)室中，研究人員們發(fā)現(xiàn)，在預(yù)先設(shè)計好的金屬運(yùn)動管道里，液態(tài)金屬軟體動物可以根據(jù)管道的大小和方向，自行改變形狀，真正讓科學(xué)家們看到柔性金屬機(jī)器人的未來。因?yàn)橐簯B(tài)金屬軟體動物不需要外加任何電場，它完全是自主運(yùn)動的。這為科學(xué)人員提供了一個新的思路，柔性的金屬機(jī)器人終于可以擺脫電場的束縛，變得更加自由了。如果沿著這個方向繼續(xù)研究，實(shí)現(xiàn)T-1000那樣的金屬機(jī)器人也是有可能的。

當(dāng)然，一切的科學(xué)研究都離不開實(shí)際應(yīng)用的推動。得益于液態(tài)金屬可變形的特點(diǎn)，未來，液態(tài)金屬機(jī)器人可以用于特殊任務(wù)，例如搜尋和救援地震災(zāi)民，因?yàn)樗麄兛梢愿淖冃螤?，在門下滑動，進(jìn)入人類無法進(jìn)入的空間。而且，科學(xué)家也在積極研究沿著血管或腔道運(yùn)動的柔性機(jī)器人，幫助人類清理血管或者腸道等，“順道”還可以做個藥物遞送和微創(chuàng)手術(shù)什么的。