撰文 | 李曉慧

提到常溫下的液態(tài)金屬,，其中最被人熟知的是汞,，一種讓人望而生畏的物質(zhì)，它易揮發(fā)有毒性,，以至于人們開始逐步淘汰汞溫度計(jì)和血壓計(jì),。而中國(guó)科學(xué)院理化所研究員、清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系教授劉靜帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)所研究的液態(tài)金屬與汞不同,，它在常溫常壓下保持液態(tài),，不會(huì)揮發(fā)，沒有毒性,，具有表面張力大,、沸點(diǎn)高、導(dǎo)電性強(qiáng)及熱導(dǎo)率高的特點(diǎn),，鎵銦合金就是液態(tài)金屬的一種,。

前不久，劉靜及其研究團(tuán)隊(duì)將液態(tài)金屬與量子器件相聯(lián)系,，提出全液態(tài)量子器件,，未來相關(guān)的器件有可能應(yīng)用在智能系統(tǒng)以及量子計(jì)算領(lǐng)域。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在預(yù)印本網(wǎng)站arXiv上,，這是世界上首次提出全液態(tài)量子器件的概念,。此前，基于液態(tài)金屬器件,，劉靜領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次提出了液態(tài)金屬計(jì)算機(jī)的基本概念和技術(shù)方案,，并已著手將概念向?qū)嶋H硬件方向推進(jìn)。

劉靜教授

劉靜對(duì)全液態(tài)計(jì)算機(jī)器件,、量子器件的想法并不是空中樓閣,，在十幾年液態(tài)金屬的研究中，劉靜和團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了液態(tài)金屬的超過40種獨(dú)特現(xiàn)象,。最早他們只是將液態(tài)金屬用于冷卻高集成度計(jì)算機(jī)芯片,，后來逐漸發(fā)現(xiàn)了液態(tài)金屬在電、磁,、光,、熱、化學(xué),、機(jī)械等外場(chǎng)控制下不同尋常的變化,，更是發(fā)現(xiàn)液態(tài)金屬在“吃”掉“燃料”后，能夠自主運(yùn)動(dòng)等類生物行為,?！靶疫\(yùn)的是，液態(tài)金屬領(lǐng)域不少開創(chuàng)性的,、原始性的發(fā)現(xiàn)是我們做出來的,。”劉靜說,。一系列的首次發(fā)現(xiàn),，令劉靜及其團(tuán)隊(duì)在液態(tài)金屬領(lǐng)域的研究處于世界領(lǐng)先地位。

“吃東西”,、“自主運(yùn)動(dòng)”,、“胞吞效應(yīng)”……很難想象這些現(xiàn)象如果發(fā)生在鋼、鐵上會(huì)有怎樣的景象,。這些跟生命有關(guān)的這些詞看起來跟金屬完全沒有關(guān)系,，卻在液態(tài)金屬上有了獨(dú)特的體現(xiàn)。

“胞吞效應(yīng)”是細(xì)胞吞噬外界顆粒的過程,，它是生物界普遍存在的一種行為,。劉靜研究組發(fā)現(xiàn)，液態(tài)金屬也具有“胞吞效應(yīng)”的類生物行為,，他們發(fā)現(xiàn)溶液環(huán)境中的液態(tài)金屬液滴,，在受到電場(chǎng)或化學(xué)物質(zhì)的作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生類似于細(xì)胞吞噬外界顆粒的胞吞效應(yīng),，能高效地將周圍的顆粒吞入體內(nèi),。2017年5月，這一發(fā)現(xiàn)以封面文章形式發(fā)表在國(guó)際期刊《尖端科學(xué)》上,。

胞吞效應(yīng)

2016年,，劉靜的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)液態(tài)金屬在電場(chǎng)的作用下，可以通過大尺度變形的方式穿過障礙物,。

液態(tài)金屬跨越障礙

同樣在2016年,，劉靜團(tuán)隊(duì)首次揭示出，在石墨表面,，處于自由空間下的液態(tài)金屬,，在電的控制下，能夠逆重力蠕動(dòng)爬坡，這一發(fā)現(xiàn)以封面文章的形式發(fā)表在國(guó)際期刊《先進(jìn)材料》上,。之前,，在傳統(tǒng)基底材料，如玻璃,、塑料等情形下,，液態(tài)金屬會(huì)因自身重力較大且表面光滑難以攀爬，并不能通過外電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)逆重力牽引,。

液態(tài)金屬在石墨表面,，電控逆重力攀爬現(xiàn)象

2015年，劉靜與他的團(tuán)隊(duì)以內(nèi)封面文章形式在《先進(jìn)材料》上發(fā)表了題為《仿生型自驅(qū)動(dòng)液態(tài)金屬軟體動(dòng)物》的論文,，描述了鎵銦合金這種液態(tài)金屬,，浸在氫氧化鈉溶液中，依靠“吞食”一小片鋁箔,，無需電力就可以自主運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)達(dá)1小時(shí),，并可以根據(jù)環(huán)境進(jìn)行變形，這樣非同尋常的特點(diǎn)已經(jīng)非常接近自然界中簡(jiǎn)單的軟體生物,。這為研制液態(tài)金屬機(jī)器人奠定了理論和技術(shù)基礎(chǔ),。

在“吃”掉鋁箔后能夠在溶液中自主運(yùn)動(dòng)

在更早期，該研究團(tuán)隊(duì)以封面文章形式發(fā)表于《先進(jìn)材料》上的研究,，首次揭示了處于溶液中的液態(tài)金屬可以在外加電場(chǎng)控制下,，呈現(xiàn)多變形現(xiàn)象，如旋轉(zhuǎn),、單向運(yùn)動(dòng),、分離、融合等,。這為研制柔性機(jī)器人,、微流體智能器件等大量應(yīng)用開啟了全新途徑。

液態(tài)金屬可逆變形控制

據(jù)IDC的預(yù)測(cè),，到2020年,，全球機(jī)器人行業(yè)的市值將達(dá)到1880億美元。人們希望未來的機(jī)器人更加智能,、柔性,，能夠更好的進(jìn)行人機(jī)自然交互與協(xié)作。此前不久,，美國(guó)科羅拉多大學(xué)波爾得分校的研究小組開發(fā)的機(jī)器人,，它專門為“鉆入”人體肛門而設(shè)計(jì)，采用了一種硅橡膠材料,，機(jī)器人身體非常靈活,，比傳統(tǒng)結(jié)腸鏡檢查工具更讓人感到舒服,。這款工具可以在進(jìn)入人體結(jié)腸后，拍攝圖像以及取樣,，幫助醫(yī)生診斷疾病,。如果未來的機(jī)器人能夠更加柔軟、更少依賴外部動(dòng)力,，它將幫助人們執(zhí)行許多特殊高級(jí)的任務(wù)。

然而,，目前機(jī)器人的研制,，包括柔性機(jī)器人大多使用剛性材料，比如金屬,、塑料等材料制成,。劉靜認(rèn)為，目前科學(xué)界研發(fā)出了各種軟體動(dòng)物機(jī)器人,，包括蠕蟲機(jī)器人,，毛毛蟲機(jī)器人，章魚和八爪魚機(jī)器人等,，但大多仍屬于多個(gè)硬質(zhì)單元組成的機(jī)構(gòu),，與柔軟和普適變形乃至融合等高級(jí)機(jī)器所具備的能力還存在相當(dāng)大距離，更不同于自然界中人或動(dòng)物那樣的有著柔軟外表,、無縫平滑的連接,。

液態(tài)金屬表面張力大、可以變形等特點(diǎn)使它可能成為柔性機(jī)器人的天然材料,，隨著劉靜團(tuán)隊(duì)在液態(tài)金屬可控變形機(jī)器效應(yīng)方面的發(fā)現(xiàn),，有望促成柔性機(jī)器人理論與技術(shù)取得重大突破，隨著更多液態(tài)金屬柔性可控變形單元與功能的發(fā)現(xiàn),，將促成全新概念的機(jī)器人與智能技術(shù)的研發(fā),，繼而開啟前所未有的應(yīng)用空間。

“液態(tài)金屬是一大類新興的功能物質(zhì),，蘊(yùn)藏著很多以往沒有被認(rèn)識(shí)的新奇的物理特性,，它為若干新興的科學(xué)和技術(shù)前沿提供了異常豐富的研究空間?！眲㈧o認(rèn)為,。

劉靜希望自己的團(tuán)隊(duì)不僅只是液態(tài)金屬基礎(chǔ)效應(yīng)和科學(xué)特性的“發(fā)現(xiàn)者”，他也希望能夠在應(yīng)用,，甚至產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方面走在世界前列,。“火藥是中國(guó)發(fā)現(xiàn)的,，但是槍炮卻是其它國(guó)家創(chuàng)造的,。我們希望不僅能夠發(fā)現(xiàn),，還能夠發(fā)明?！?/span>

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