科幻電影裡的液態金屬成真

　　▲電影《終結者》中的T-1000機器人就是由液態金屬組成。

　　◤液態金屬具有非常柔軟的特性。

　　 　　電影《終結者》中,反派機器人T-1000給觀眾留下深刻印象。它由特殊液態金屬組成,時而堅不可摧,時而柔軟似水,像橡皮泥一般可任意改變自己的形狀。最近,科學家在液態金屬方面的研究又取得了新突破。美國卡耐基梅隆大學(CMU)科學家研發出一種在室溫下呈液態的金屬合金,並將其注入橡膠後製成像天然皮膚一樣柔軟和富有彈性的電晶體。這一最新成果預示著,這些軟性材料或將開創液態計算機新時代。

　　本報記者　任志方　整理　　　

一臺「柔軟」的電腦
　　說起液態金屬,人們最容易想起的大概是水銀。其實,液態金屬是個大家族,通常泛指熔點比較低的金屬或合金材料。在這個大家族裡,水銀只是其中個性「張揚」的一份子。它易蒸發,會形成有劇毒的汞蒸氣,因而限制了實際應用。但水銀有很多低調謙和的「兄弟姐妹」,比如金屬鎵及鎵系不同配比製成的鎵銦合金或鎵銦錫合金,它們去掉了易蒸發和毒性這些戾氣,能友好地與人類相處,因此逐漸步入公眾視野。
　　液態金屬在常溫下表現出和陶瓷相同的硬度,但是在一定溫度下,會像橡皮泥那樣柔軟,像液體那樣流動。這種新型材料是通過現代快速凝固冶金技術獲得的,同時兼有玻璃和金屬兩種材料的優異的力學、化學和物理性能。一根直徑4毫米粗的液態金屬絲可以懸吊起3噸的重物,是目前最強的穿甲材料。
　　據物理學家組織網近日報導,美國卡耐基梅隆大學科學家研發出一種在室溫下呈液態的金屬合金,並將其注入橡膠後製成像天然皮膚一樣柔軟和富有彈性的電晶體。發表在《先進科學》雜誌上的這一最新成果預示著,這些軟性材料或將開創液態計算機新時代。
　　電晶體被稱為掌上電腦、智慧型手機等數字產品的「大腦」,負責處理信號和數據,隨著其尺寸越來越小,這些數字計算機產品也在不斷變小、變強和更加普及。但由於電晶體用的都是固體材料,始終無法擺脫拒人於千裡之外的硬邦邦感覺。
　　在最新研究中,CMU軟體機器實驗室工程師卡梅爾·麥吉迪和詹姆斯·威斯曼研製出新方法,製成擁有數字功能和柔軟可變形兼備的流體電晶體。他們通過調配銦鎵兩種金屬的混合比例,找到一種在室溫下呈液態的特殊合金,注入橡膠後不僅能像銅和銀等金屬一樣導電,還擁有天然皮膚一樣的柔軟彈性。
　　這種液態金屬電路在未來擁有無窮應用潛力,比如研製模擬鳥類的飛行機器人,能在保持電學功能的同時承受高空極端條件下的變形壓力；研發出用於搜救的機器人,以及監控疾病和恢復大腦功能等領域的液態計算機。
會「吃」金屬的液態合金
　　在液態金屬研究方面,我國科學家的步伐相當領先。
　　細胞吞噬外界顆粒的「胞吞效應」,是生物界普遍存在的一種行為,但我國科學家發現,金屬也能像生物細胞一樣將周圍的顆粒吞入體內。去年8月,中科院理化技術研究所與清華大學聯合小組研究發現,溶液環境中的液態金屬液滴,在受到電場或化學物質的作用時,會產生類似於細胞吞噬外界顆粒的胞吞效應,能高效地將周圍的顆粒吞入體內。並且他們還發現液態金屬具有「呼吸獲能」的本領。比如在電解液的環境中,一塊鎵基液態合金在「吃掉」鋁之後,可變身為機器形態,並進行長時間的高速運動,根本無需外部動力。
　　更有意思的是,這種機器形態的液態金屬不僅能在自由空間中運動,還能在各種結構的槽道中穿梭自如。它們能自己調整體形和路線,似乎自身具備思考能力。
　　團隊負責人劉靜表示,此類功能「有點像生命」,故而稱之為「類生物行為」。事實上,液態金屬機器就像是軟體動物,其表現出的特殊性質已經與自然界中的軟體生物相當接近了。這一研究成果以封面文章的形式發表在國際權威期刊《尖端科學》上。
　　早在2015年,該團隊就已宣布研製出全球首臺液態金屬機器。該成果為流體泵送系統、血管機器人、柔性執行器甚至是更複雜的液態金屬機器人研究奠定了理論基礎與技術基礎。
　　這意味著,未來,液態金屬有了很多可以大展拳腳的領域,在醫療健康領域,獨特的液態金屬材料將帶來觀念性變革。在液態金屬生物材料學這個全新領域,研究者已開始涉及神經連接、血管造影、腫瘤治療、骨骼修復、注射電子、皮膚電子等核心問題,這將顛覆傳統醫學科學理念,突破已有的技術瓶頸,為全新醫療技術體系的創建帶來新曙光。
　　比如,利用液態金屬神經連接與修復技術,通過迅速建立損傷神經之間的信號通路及生長空間,可大幅提高神經再生能力並顯著降低肌肉功能喪失的風險。
　　與此同時,由於液態金屬在X射線下具有很強的顯影性,因而在完成神經修復之後很容易通過注射器取出體外,可避免複雜的二次手術。這一方法為神經連接與修復這一世界性醫學難題的解決開闢了全新方向,被認為是「令人震驚的醫學突破」。
手機可設計成各種形態
　　液態金屬的種種特性為我們帶來了許多想像的空間。在科幻電影《終結者5》中,李秉憲扮演的T-1000機器人讓人印象深刻,作為電影裡面最難搞定的機器人之一,他的身體可以自由變換形狀,不管遭受什麼樣的傷害都能在一瞬間自動復原,甚至可以隨意「整容」與改變身形。製造T-1000所用的這種近乎魔幻的材料,就是液態金屬。當然,製造「終結者」那樣的機器人是個遠期目標。
　　其實,越來越多的液態金屬材料產品已經出現在市場,如高爾夫球棒、網球拍、山地自行車、潛水裝置。液態金屬還可用於製作高檔手錶、手機和筆記本電腦的外殼。因為其所具有的特異性能還被國防和航天等尖端領域青睞。
　　現在的某些臺式機CPU散熱組件以及最近手機端開始出現的冰巢散熱技術,都是利用液態金屬較高的熱傳導率實現的。此外,諸如歐米伽等高檔手錶的外部刻度環等零部件,也應用了液態金屬材質。至於蘋果公司,也早已將液態金屬材質應用到了iPhone的取卡針。
　　基於研究人員近年來在液態金屬研究方面所取得的成果,我們可以期待電腦、手機等設備不再是中規中矩的方正,而是能被隨心所欲地設計成各種形狀,既酷炫又有個性。曲面設計、柔性屏甚至是更為藝術的想法和造型都可能成為現實。屆時對提高銷量、擴充消費者的選擇空間以及推動整個行業進步絕對大有裨益。
　　以手機為例,無論是屏幕還是外殼,其組成材料越硬,越不易產生劃痕。液態金屬如此高的硬度與耐磨度,如能用作手機外殼或是外部組件,那麼,手機永葆青春也變得輕而易舉,同時,能擁有液態金屬的手機外殼,也無需擔心變彎了。