別以為《終結者》只是部電影 在液態金屬領軍人物劉靜的世界裡，柔性機器人新時代正在開啟
文|徐昌宇
編輯| 木子今
在70後和80後的童年記憶里，擎天柱、威震天、汽車人等出自變形金剛系列動畫片的兒童玩具，幾乎是男孩子們的最愛！
因此，當2007年好萊塢科幻大片《變形金剛》一上映，票房和輿論就燃爆了！《變形金剛》系列科幻電影成為好萊塢最賺錢的電影系列之一，以至於2014年上映的《變形金剛4》，在中國創下了19.7億元的當年票房紀錄！
時至今天，變形金剛仍然是小男孩兒熱愛的玩具。可是，變形金剛只能是玩具嗎？
就在《變形金剛》創下國內票房記錄的2014年，中科院理化研究所雙聘研究員、清華大學教授劉靜團隊，在世界上首次發現一種神奇的液態金屬及其運動變形的基礎現象，改變了很多科學家和工程師對於可變形柔性機器人的想像。
液態金屬多變形性開啟柔性機器人新時代
這種神奇的液態金屬，是劉靜研究團隊發現的革命性新材料：
在電場控制下，液態金屬可與水的複合體在各種形態及運動模式之間發生轉換。
液態金屬，通常指在室溫附近或更高一些常溫下呈液態的金屬，也稱低熔點金屬，如鎵基、鉍基金屬及其合金。
這類材料因安全無毒，性能卓越獨特，在常溫下可流動，導電性強，熱學特性優異，易於實現固液轉換，且沸點高，在高達2000°C的溫度時仍處於液相，不會像水那樣沸騰乃至爆炸，將諸多尖端功能材料的優勢集於一體，突破了許多領域傳統技術的應用瓶頸，在軍工國防領域尤具重大戰略價值。其他如汞、銫、鈉鉀合金等雖在常溫下也處於液態，但因毒性、放射性及危險性等因素，在應用上受到很大限制。
在科幻電影《終結者》中打不死的機器人殺手，就是液態金屬製成的，擁有神奇的變形和自我修復能力。
液態金屬為什麼這麼神奇？
劉靜科研團隊首次發現和解釋了液態金屬變形與運動的物理屬性：在外場（電、磁、化學、力、熱場等）下溶液中，液態金屬可在不同形態和運動模式之間發生轉換的基礎現象，如大尺度變形、自旋、射流、自由塑形、褶皺波效應等，改變了人們對傳統材料、流體、軟物質及剛體機器的既有認識，在國際上被認為是觀念性突破和重大發現。
這麼重大的科技突破，居然源於研究團隊在實驗中的幾次偶然發現。
2014年3月的一天，劉靜教授讓研究小組的清華大學醫學院博士生張潔和博士後盛磊測試由液態金屬連通的牛蛙坐骨神經的電傳導特性時，不經意間發現周圍散落的液態金屬微小液滴上出現了令人匪夷所思的自旋轉現象。
這讓長期思索可變形機器人的劉靜教授產生了一個想法：是否可能通過電場控制實現液態金屬的運動變形？
實驗結果令人驚喜，研究組揭開了一個又一個以往從未被認識到的液態金屬物理圖景，同時開啟了嶄新的應用前景。
9月的一次實驗中，液態金屬表面的氧化物影響了實驗效果。張潔隨手抄起桌上的一張鋁箔，捲成小棍試圖剝去液態金屬表面的氧化膜。奇蹟不期而至——當鋁箔碰到液態金屬球的時候，這個安靜的球體竟然燥動起來，開始在裝有氫氧化鈉溶液的器皿中運動，圍著器皿的內壁不斷跑圈，竟然不知疲憊地奔跑了一個多小時。
研究團隊深入地研究鋁箔驅動液態金屬球運動的物理化學機制，揭開了這個神秘現象背後的真正原因。
「因為鋁很容易形成氧化膜，導致其不與其他物質發生反應，但是液態金屬阻斷了鋁的氧化膜的形成，使其與容器中的液體發生反應，從而為液態金屬的運動提供能量。」劉靜教授說。
液態金屬「吞噬」鋁片後，被卸掉氧化膜的鋁片與溶液發生反應，在電解液里形成原電池反應，會產生電力和氫氣泡推動液態金屬前進。
如果液滴個體很小，在微米級別，就可以靠氣泡的反作用力推動；如果液滴個體比較大，在毫米、厘米級別時，氣泡的作用力小。這時，鋁與液態金屬組成短路原電池，形成內生電場，這會改變液態金屬表面電雙層的分布，誘發液態金屬表面張力出現不均衡，進而產生較大推動力。
「液態金屬表面張力是液體里最高的，是水的近9倍。由於它既是液體又能導電，就可以在電雙層表面張力作用下運動。表面張力會讓液態金屬向球形發展，在內部形成漩渦。從流體力學來說，是非常獨特的，像風火輪一樣內部出現大迴環，又像坦克一樣用輪子帶動履帶。」劉靜教授說。
盛磊博士認為，吞食了鋁箔而進行自主運動的液態金屬既是新材料又是新能源，「首先這種能量轉換機制非常好，其次，自主運動的液態金屬本身也是一個動力源，可以為其他的物體運動提供動力。」
液態金屬在電場和鋁金屬的刺激下運動變形的各種現象和物理化學機制的發現，使人們向夢寐以求的柔性機器人設計和製造邁出了關鍵性的一步。相關科研成果發表在國際權威材料期刊《先進材料》內封面上，引起了廣泛的關注。同時，該研究還入選「2015兩院院士評選中國十大科技進展新聞」。
以後，劉靜團隊還陸續發現了一系列液態金屬固液組合機器效應，比如，首次發現浸潤於液態金屬中的金屬絲髮生周期性自激振蕩的效應，以及金屬顆粒觸髮型液態金屬跳躍現象、液態金屬胞吞效應、多孔液態金屬膨脹效應等，這些同樣引發業界重大反響的開創性發現革新了傳統界面知識，將研究推向研製固液組合機器的新高度。
在不同形態之間自由轉換的可變形柔性機器，以執行常規技術難以完成的任務，是科學界與工程界長久以來的夢想，在軍事、民用、醫療與科學探索中極具應用前景。
比如，在抗震救災或軍事行動中，這類機器人可根據需要適時變形，穿過狹小的通道、門縫，之後再重新恢復原形並繼續執行任務。在醫學實踐中，可研製沿血管包括人體自然腔道運動，以承擔各種在體醫學服務的柔性機器人。
美國麻省理工學院加雷思-麥金萊(Gareth McKinley)教授正在研製新一代盔甲——「液態身體盔甲」。 一旦研製成功，這種盔甲在磁場或者電流影響下，可以瞬間將液態形式轉變成為固體，未來可用於監控士兵心率、身體水合指數以及核心體溫。這套液態戰鬥盔甲可以響應身體數據，隨載計算機系統能與感測器建立連接，使士兵在戰場上處於最佳狀態。
美國特種作戰司令部(SOCOM)發言人馬特·艾倫(Matt Allen)說：「TALOS 項目的最終目的是 2018 年製造液態防彈戰鬥盔甲原型，它將用於評估軍事操作的影響力。」
目前，劉靜教授帶領中科院相關科研團隊正在進行柔性機器人的重大課題研究。
「數年前，我們團隊就在中國科學院院長基金資助下啟動了SMILE項目，目標旨在實現融智能、液態金屬與電子於一體的柔性智能機器。隨著液態金屬各種軟、硬體技術的不斷突破，是有可能逐步製造出類似於變形金剛、終結者之類的可變形機器人。」劉靜教授告訴記者。據盛磊博士近日透露，項目已經有了重大進展。
液態金屬可用於傷殘軍人神經與骨骼修復
為了解決醫學上的世界性難題——斷裂和損傷神經的修復問題，劉靜教授研究團隊對液態金屬的神經信號傳遞功能進行了深入研究，發現神經信號傳遞主要就是電信號，因此進行了一系列相關實驗，才有了上述關於液態金屬運動變形的發現。
其實，在利用液態金屬修復斷裂神經的生物實驗中，還有個有趣的故事。
研究團隊利用液態金屬修復完一隻牛蛙斷裂的坐骨神經後，將其養在一隻大圓桶里。沒想到有天晚上，牛蛙跳出大圓桶逃了出來。那個大圓桶又高又大，平時正常牛蛙都無法跳出來。由此可見，液態金屬修復斷裂神經的效果非常好。
該方向工作目前已持續完成一系列離體和在體動物實驗，證實了新方法的重大意義；甚至，藉助神經調控，可使得業已死亡的動物也能如同活體一般運動起來。相應努力展示了新技術的廣闊發展前景，可望催生出機器與人體複合的賽博格技術。
液態金屬神經功能連接與修復，為神經修復這一世界性難題的解決提供了一種全新方案。劉靜團隊的開創性工作在國際上被稱為「極令人震驚的醫學突破、科學突破」，為麻省理工技術評論、新科學家、福克斯新聞等眾多國際頂尖科學新聞廣泛報道，在Google上的直接或間接轉引報道條目曾一度超過一千萬。
劉靜團隊預計三至五年時間可完成在臨床上的充分驗證，未來有望用於廣泛意義上的外科臨床或傷殘軍人神經修復。
不但如此，液態金屬在骨骼修復領域也有重大應用價值。2014年10月，劉靜教授團隊提出了低熔點液態合金骨水泥技術，創造性地將液態金屬引入到骨修復領域。
修復過程就好像美國科幻電影《金剛狼》那樣，用注射器將液態金屬骨水泥注入需要修復的人體部位並固化，可幫助人體在原位重建骨骼。從液態金屬易於實現固液轉化的角度，他們還提出了剛柔相濟的液態金屬外骨骼技術。
液態金屬在電子信息和計算機領域的廣泛應用
其實，在成為液態金屬「教父」之前，劉靜教授攻讀和從事的方向叫生物傳熱學。在清華大學以生物傳熱學研究獲得博士之後畢業留校任教，後來又去美國普度大學進行博士後研究。
1999年，劉靜回國創辦了中科院理化研究所低溫生物與醫學實驗室，一開始主要是在生物醫學領域進行研究，後考慮到實驗室生存發展之需開啟了液態金屬探索。在腫瘤高低溫複式治療設備「康博刀」十餘年的研發過程中，劉靜教授團隊陸續揭開了液態金屬諸多優異的物質特性和突破性用途。
2014年，國際傳熱大會在日本京都召開，劉靜獲得傳熱學界「終身成就獎」——威廉·伯格獎。劉靜以《通向惡性腫瘤靶向冷凍或熱消融治療的途徑：生物體系內熱量的精準輸運》為題作大會主題報告，宣告腫瘤高低溫複式治療設備「康博刀」即將進入臨床應用。
國際傳熱大會是目前國際傳熱學界級別最高，規模最大的會議，被譽為國際傳熱學界的奧林匹克盛會。威廉?伯格獎由國際傳熱傳質中心（ICHMT）執行委員會、國際傳熱大會理事會（AIHTC）及Begell House出版社共同設立，旨在紀念前美國哥倫比亞大學工程學教授William Begell博士。獲獎者系從每屆國際傳熱大會經提名並最終遴選的全球所有45分鐘大會主題報告人中選出。
在不斷推進醫療技術研究的同時，劉靜教授研究團隊陸續開發了液態金屬晶元冷卻技術，世界首台液態金屬電子電路印表機，首台室溫金屬3D印表機等等開創性技術。
液態金屬是極為理想的功能性印刷電子油墨和3D列印材料，可由此快速製造出所需要的柔性電子、感測器、執行器、智能天線、屏蔽材料乃至集各種功能於一體的終端功能器件與裝備，為大量的先進國防電子裝備的快速製造開闢了一片嶄新的天地。
經過十多年的持續探索和積澱，劉靜教授及其團隊已形成從材料、器件到製造裝備等方面的全面突破和創新，並培養出一批實力領先的研發和產業化隊伍，如北京夢之墨科技有限公司、雲南中宣液態金屬科技有限公司等出品的液態金屬電子材料和電子製造裝備等已規模化進入市場，可實現在紙張、樹葉、衣服、人體等各種表面低成本列印電子電路。
美國國防部近期斥資1.71億美元啟動的混合柔性電子項目，彰顯柔性電子在國防軍工領域的重大價值。而中國早已形成產品並推動了系列市場應用。
2017年，劉靜教授團隊在國際上首次提出了基於液態金屬的計算機及全液態量子器件的技術概念。
劉靜教授介紹，量子計算機在物理實現上要走向集成化和小型化，其最為核心的一種邏輯運算器件是依託量子隧穿效應。目前幾乎所有實現量子隧穿效應的器件均由一個三明治剛體結構組成，中間層為絕緣的納米尺度薄層，兩側為導電介質電極。這些結構由於是固體器件，製造精度要求極高，中間層厚度不易靈活調整，整個器件的形狀無法變形、分割，只能按其特定結構實現對應功能，應用上會受到一定限制。
液態金屬置於液體中會自然形成一個「液態金屬電極—液膜—液態金屬電極」的三明治結構，在外界因素作用下可靈活變形。取決於不同的外加電場作用，液膜間隙可達極小尺度甚至完全消失，其兩側電阻會隨此尺寸和結構的變化作對應響應。因此，如果將兩個液態金屬之間的液膜厚度控制在一定範圍內，則有望實現全液態量子隧穿效應。
該研究團隊不但提出了全液態量子隧穿效應器件的思想，還給出了製備方法，部分材料和技術方案已經形成發明專利。可變形液態金屬量子材料與器件技術思想的提出，可能助推新一代量子計算與智能系統的製造和集成技術的突破。
基於液態金屬器件，該研究組還在早前於國際上首次提出了液態金屬計算機的基本概念和技術方案，相應發明專利的基本架構和核心器件已獲得受理，系國際上該領域的全新嘗試。
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