液態合金或將引領柔性計算機時代

credit:123RF

晶體管，這些處理信號和數據的微小電開關，幾乎是每個電子設備背後的核心組成。不管是筆記本電腦，還是智能手機或數字溫控器都需要用到這些微小的單元。而隨著晶體管尺寸的不斷縮小，計算機在功能越來越強大的同時卻越來越小，越來越便攜和普及。然而，如果我們想要創造出有著自然生物柔軟外觀的人性化機器，我們首先便需要在用於製造電氣開關和電路的剛性材料上取得突破。

卡內基梅隆大學柔軟機器實驗室的機械工程師Carmel Majidi和James Wissman一直在尋找新的方法來創造足夠柔軟且能變形的電子設備。他們並沒有用像銅或銀這樣的硬質金屬製造電路，而是使用一種特殊的金屬合金，這種合金在室溫下是液態的。這種合金是由銦和鎵混合而成，是一種無毒的汞替代品，可以注入橡膠里，使電路像皮膚一樣柔軟和有彈性。

而兩人在與北卡羅來納州立大學的Michael Dickey合作後發現，液態金屬不僅可以用來做可摺疊的電路，也可以用來做電氣開關。這些流體晶體管通過打開和關閉兩個液態金屬液滴之間的連接來工作。當有一邊的電壓降低時，液滴會相互運動並結合起來形成導電的金屬橋。當兩邊電壓相同時，液滴便會自發地斷開。通過這樣的方式，只需少量電壓，研究人員就能夠模仿出傳統晶體管的特性。

研究小組利用毛細管的不穩定性得出了這一結果。Majidi說道「我們在生活中常常可以看到毛細管的不穩定性。如果你打開水龍頭，流量很低，這時你可能會看到從穩定流到單個液滴的轉變。這就是瑞利不穩定性。」

研究人員必須找到一種方法來誘導液態金屬的這種不穩定性，這樣它就可以無縫地從一滴過渡到兩滴。在對氫氧化鈉溶液中的液滴進行了一系列測試之後，他們意識到不穩定性是由外加電壓和電化學反應之間的耦合驅動的。這種耦合引起了液滴表面氧化的梯度，從而引起液滴表面張力的梯度，最終使得兩個液滴分離。

該小組稱之為液態金屬晶體管，因為它具有與傳統電路晶體管相同的電路特性。Majidi說道：「我們讓兩個液滴類似於場效應晶體管中的源極和漏極，因此我們可以藉助這種形狀可編程的特點來連接和斷開電路。最終，我們也許可以使用這種效應來創建物理可重構性電路。」

這種可編程材料的應用是無窮無盡的。如果材料可以被編程來改變形狀，它們可以通過改變結構來改變它們的功能，甚至可以重組結構來避免自身在極端環境下的損壞。對此，Majidi說道：「這種特性使得它們可以用於那些需要巨大物理形變的結構上，比如一個模仿鳥的飛行機器人。當這種機器人展開翅膀時，你希望機翼上的電路也能變形和重新配置，這樣它們就可以繼續工作或者運行某種新的功能。」

同時，這種材料也可以用於液體計算機，而這種計算機還可以和生物材料相結合，從而直接檢測我們的身體狀況。再想像一下，如果搜索和救援機器人可以在損壞時自我更新電路，也許它們的效率將會更高。雖然這些聽起來像科幻小說，但液體計算機總有一天也會像今天的筆記本電腦一樣平常。

本文譯自 phys，由譯者 Lough 基於創作共用協議(BY-NC)發布。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！