電影《終結者》系列，為我們展示了一種由液態金屬組成的強大機器人：以 “終結者 T-X 型” 為代表，它們擁有著超強的塑形功能，能夠隨意變化外形，並且能快速恢復原貌。
在現實生活中，影片裡的液態金屬機器人仍未誕生，但作為一種神奇的材料，液態金屬因其優秀的可塑性也被認為是取代傳統電子行業中硬質材料的新星。而且，這項技術也與一些聽起來就十分新潮的科技應用息息相關，例如可穿戴電子的電路、可穿戴外骨骼的構建以及柔性機器人等。
那麼，液態金屬的研發如今走到了哪一步？最近一項由清華大學和中科院理化所團隊帶來的研究頗讓人為之興奮。
根據在 Advanced Functional Materials 雜誌發表的論文 “Lightweight Liquid Metal Entity”，這個團隊提出“輕質液態金屬” 概念，併發明瞭一種前所未有的輕質量液態金屬材料。
而且，研究中所展示的液態金屬材料，在許多方面甚至優於 “材料之王” 石墨烯。
對於這次的研究成果，文章的通訊作者、清華大學劉靜教授對 DeepTech 表示：“此項研究有幸第一次提出‘輕質液態金屬物質‘概念，具有基礎性和普適意義。
根據需要，輕質液態金屬可以與其他物質相混合，從而賦予更多目標功能。總體上，液態金屬以一種材料形式同時將許多尖端材料的功能集於一體（電、磁、聲、光、熱、機械、流體、化學），這是比較獨特的。
研究中已展示的輕質液態金屬，具備了許多功能，比如高導電性、 磁性、可變形、可組裝疊加、高導熱性、可在液態和固態之間靈活轉換特性等。這些是有機物不易具備之處，也大多不是石墨烯的特性。石墨烯由於不易變成液體，這使其在許多場合上的應用不及液態金屬，比如作為電子墨水、3D 打印材料、注射骨骼、外骨骼、機器人”。
突破密度“結界”
說起液態金屬你應該不會陌生，例如水銀，就是許多人最熟悉的常溫下呈現液態的金屬了。水銀也因為它的流動性和熱學特性才廣泛使用於溫度計和血壓計中。
不過，諸如水銀這樣的液態金屬，對於環境和人體健康有較大的損害，這大大限制了它的應用範圍。而且，一般金屬的密度都比較大，如果在產品中加入大量的液態金屬可能會使得產品難以攜帶，這也成為液態金屬不便應用的一個瓶頸。
所以，科學家們一直渴望的完美的液態金屬，應當可塑性高，對環境無害，並且密度很輕。
這樣一種近似 “完美” 的液態金屬正在離我們越來越近。在這次的團隊研究成果中，一種以鎵銦共晶合金（Eutectic Galliumindium Alloys）為基礎並加入了特殊物質和結構的液態金屬，其密度可調範圍為 0.448~2.010 g/cm3，甚至比水的密度還低。
而且不同於水銀，鎵銦共晶合金具有良好的生物安全性。
對於鎵銦共晶合金的製備過程，劉靜特別指出：“該材料的製造過程沒有汙染，包括液態合金製備、空心玻璃微珠以及各種功能物的加載等，相應材料有很多選項，且本文方法是基礎底層方法，可擴展到較廣範疇。”更神奇的是，在溫度調節下該材料能保持良好的材料一致性和導電性，並可在完全柔軟和堅硬的狀態之間自由切換。
但是，從本質上來說，鎵銦共晶合金還是金屬合金，文中通過將質量百分比分別為 75.5% 的鎵和 24.5% 銦均勻混合後在 150℃中攪拌 12 小時製成，密度大約為 6.5g/cm3，其實還遠遠稱不上輕盈。
如果要將密度降低到比水還輕，意味著要減小 70% 左右，而這樣的做法是前無古人的。
研究團隊此時引入了一種神奇的材料——空心玻璃微珠，這是一種具有中間鏤空結構的超輕材料，例如文中提到的 “K1” 型空心玻璃微珠，密度為 0.125g/cm3。
圖丨 a、空心玻璃微珠示意圖；b、空心玻璃微珠宏觀與微觀視圖（來源：此篇論文）
由於有空心的結構存在，這種材料與鎵銦共晶合金結合之後能有效地減小材料的密度，並且通過調整兩種材料的佔比，就能調節整體的密度。製成的材料名為“空心玻璃微珠 - 鎵銦共晶合金”，簡稱為“GB-eGaIn”，十分輕盈，甚至能夠像露珠一樣停留在葉面之上。
圖丨放置於葉面上輕盈的心型空心玻璃微珠 - 鎵銦共晶合金（來源：此篇論文）
基於如此思路合成的 GB-eGaIn，還具有優秀的可塑性及可重構性，可以先合成平面材料，然後經過類似 “摺紙” 的操作，製作想要的結構。除此之外，GB-eGaIn 還能利用模具製作複雜的三維結構，例如下圖中由 GB-eGaIn 製成的 “小馬” 和“三潭印月”。
圖丨 GB-eGaIn 製成的複雜結構舉例（來源：此篇論文）
支持“多次開發”
開創性地提出了加入空心玻璃微珠製作符合液態金屬材料的思路之後，功能化液態金屬材料的大門也得以打開。
除了製作複雜結構，研究團隊就發現，通過對輕質液態金屬材料進行再加工，例如添加一些有特殊性質的材料（磁性材料等），還可以賦予液態金屬更多的功能性。
文中提到了添加磁性材料的簡單應用，利用磁性材料可以控制 GB-eGaIn 在水中的浮沉以及定向運動。
圖丨 GB-eGaIn 結合磁性材料在水中的實驗（來源：此篇論文）
論文的最後一段，研究團隊就提出，未來的研究方向可能為在空心玻璃微珠的空心結構中加入磁性、電學特性等功能材料，能夠大大地增加液態金屬功能性。
劉靜還提出了更多的設想：“Glass Bubbles 可做成真空，厚薄度及尺寸等可調，沿此路線，甚至可實現能漂浮於空氣中的輕質液態金屬，這會打開許多應用的想象空間。本文展示的液態金屬物密度已覆蓋較大範圍，從水的幾分之一到數倍。實際上，除了 Glass Bubbles 外，各種各樣的外來物均可加載到液態金屬中形成輕質材料，比如塑料、木材、輕金屬以及磁性、光學材料等等。本文方法開啟了一個研製輕質液態金屬的方向和應用。”
功能性材料最終的目的還是落在實際應用層面。這種輕質液態金屬材料，製程以及材料本身對於環境的影響也不大，在應用層面來說應當是前途無限的。
關於應用層面，劉靜也顯得十分樂觀，提出了一些十分有趣的方向，也足見劉靜是十足的科幻迷：
（1）可變形柔性機器人（類似於科幻電影《終結者》機器人）；
（2）用於單兵保護的可在固態和液態之間切換的剛柔相濟型輕質外骨骼（類似於科幻電影《阿麗塔》《鋼鐵俠》中的皮膚）；
（3）可注射骨骼，用於人體受損骨骼包括牙齒等的快速修復（類似於科幻電影《金剛狼》）；
（4）輕質舒適型可穿戴電子；
（5）類似於潛艇那樣的可在海水中上浮下沉的柔性機器人；
（6）空中航行執行任務的可變形飛行器
當然，劉靜也提到，在工業應用方面仍有需要攻克的技術難題，例如：1、製成材料的質量和均勻性、穩定性；2、成品材料多次重複使用的均勻性、可靠性；3. 特定性能的保障，如電學特性、磁性、固化後強度、剛度等；4. 與外界調控單元的結合比如剛柔相濟型人體外骨骼系統研製等難題。
“這些難題均需要通過從底層材料、加載物以及製備工藝、應用系統等多個環節加以保障，甚至針對特定應用包括生物醫學應用場合，還需考察更多如生物相容性問題等等，這中間衍生出不少基礎科學及應用問題有待進一步開展”，他說。
儘管現階段，類似科幻電影中液態金屬應用的實現仍有距離，但現在，至少我們又擁有了一個新的可能性的開始。
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關鍵字: 結界 2019未來科學大獎 機器人
