液态金属多变形性开启柔性机器人新时代
这种神奇的液态金属，是刘静研究团队发现的革命性新材料：
在电场控制下，液态金属可与水的复合体在各种形态及运动模式之间发生转换。
液态金属，通常指在室温附近或更高一些常温下呈液态的金属，也称低熔点金属，如镓基、铋基金属及其合金。
这类材料因安全无毒，性能卓越独特，在常温下可流动，导电性强，热学特性优异，易于实现固液转换，且沸点高，在高达2000°C的温度时仍处于液相，不会像水那样沸腾乃至爆炸，将诸多尖端功能材料的优势集于一体，突破了许多领域传统技术的应用瓶颈，在军工国防领域尤具重大战略价值。其他如汞、铯、钠钾合金等虽在常温下也处于液态，但因毒性、放射性及危险性等因素，在应用上受到很大限制。
在科幻电影《终结者》中打不死的机器人杀手，就是液态金属制成的，拥有神奇的变形和自我修复能力。
液态金属为什么这么神奇？
刘静科研团队首次发现和解释了液态金属变形与运动的物理属性：在外场（电、磁、化学、力、热场等）下溶液中，液态金属可在不同形态和运动模式之间发生转换的基础现象，如大尺度变形、自旋、射流、自由塑形、褶皱波效应等，改变了人们对传统材料、流体、软物质及刚体机器的既有认识，在国际上被认为是观念性突破和重大发现。
这么重大的科技突破，居然源于研究团队在实验中的几次偶然发现。
2014年3月的一天，刘静教授让研究小组的清华大学医学院博士生张洁和博士后盛磊测试由液态金属连通的牛蛙坐骨神经的电传导特性时，不经意间发现周围散落的液态金属微小液滴上出现了令人匪夷所思的自旋转现象。
这让长期思索可变形机器人的刘静教授产生了一个想法：是否可能通过电场控制实现液态金属的运动变形？
实验结果令人惊喜，研究组揭开了一个又一个以往从未被认识到的液态金属物理图景，同时开启了崭新的应用前景。
9月的一次实验中，液态金属表面的氧化物影响了实验效果。张洁随手抄起桌上的一张铝箔，卷成小棍试图剥去液态金属表面的氧化膜。奇迹不期而至——当铝箔碰到液态金属球的时候，这个安静的球体竟然燥动起来，开始在装有氢氧化钠溶液的器皿中运动，围着器皿的内壁不断跑圈，竟然不知疲惫地奔跑了一个多小时。
研究团队深入地研究铝箔驱动液态金属球运动的物理化学机制，揭开了这个神秘现象背后的真正原因。
“因为铝很容易形成氧化膜，导致其不与其他物质发生反应，但是液态金属阻断了铝的氧化膜的形成，使其与容器中的液体发生反应，从而为液态金属的运动提供能量。”刘静教授说。
液态金属“吞噬”铝片后，被卸掉氧化膜的铝片与溶液发生反应，在电解液里形成原电池反应，会产生电力和氢气泡推动液态金属前进。
如果液滴个体很小，在微米级别，就可以靠气泡的反作用力推动；如果液滴个体比较大，在毫米、厘米级别时，气泡的作用力小。这时，铝与液态金属组成短路原电池，形成内生电场，这会改变液态金属表面电双层的分布，诱发液态金属表面张力出现不均衡，进而产生较大推动力。
“液态金属表面张力是液体里最高的，是水的近9倍。由于它既是液体又能导电，就可以在电双层表面张力作用下运动。表面张力会让液态金属向球形发展，在内部形成漩涡。从流体力学来说，是非常独特的，像风火轮一样内部出现大回环，又像坦克一样用轮子带动履带。”刘静教授说。
盛磊博士认为，吞食了铝箔而进行自主运动的液态金属既是新材料又是新能源，“首先这种能量转换机制非常好，其次，自主运动的液态金属本身也是一个动力源，可以为其他的物体运动提供动力。”
液态金属在电场和铝金属的刺激下运动变形的各种现象和物理化学机制的发现，使人们向梦寐以求的柔性机器人设计和制造迈出了关键性的一步。相关科研成果发表在国际权威材料期刊《先进材料》内封面上，引起了广泛的关注。同时，该研究还入选“2015两院院士评选中国十大科技进展新闻”。
以后，刘静团队还陆续发现了一系列液态金属固液组合机器效应，比如，首次发现浸润于液态金属中的金属丝发生周期性自激振荡的效应，以及金属颗粒触发型液态金属跳跃现象、液态金属胞吞效应、多孔液态金属膨胀效应等，这些同样引发业界重大反响的开创性发现革新了传统界面知识，将研究推向研制固液组合机器的新高度。
在不同形态之间自由转换的可变形柔性机器，以执行常规技术难以完成的任务，是科学界与工程界长久以来的梦想，在军事、民用、医疗与科学探索中极具应用前景。
比如，在抗震救灾或军事行动中，这类机器人可根据需要适时变形，穿过狭小的通道、门缝，之后再重新恢复原形并继续执行任务。在医学实践中，可研制沿血管包括人体自然腔道运动，以承担各种在体医学服务的柔性机器人。
美国麻省理工学院加雷思-麦金莱(Gareth McKinley)教授正在研制新一代盔甲——“液态身体盔甲”。 一旦研制成功，这种盔甲在磁场或者电流影响下，可以瞬间将液态形式转变成为固体，未来可用于监控士兵心率、身体水合指数以及核心体温。这套液态战斗盔甲可以响应身体数据，随载计算机系统能与传感器建立连接，使士兵在战场上处于最佳状态。
美国特种作战司令部(SOCOM)发言人马特·艾伦(Matt Allen)说：“TALOS 项目的最终目的是 2018 年制造液态防弹战斗盔甲原型，它将用于评估军事操作的影响力。”
目前，刘静教授带领中科院相关科研团队正在进行柔性机器人的重大课题研究。
“数年前，我们团队就在中国科学院院长基金资助下启动了SMILE项目，目标旨在实现融智能、液态金属与电子于一体的柔性智能机器。随着液态金属各种软、硬件技术的不断突破，是有可能逐步制造出类似于变形金刚、终结者之类的可变形机器人。”刘静教授告诉记者。据盛磊博士近日透露，项目已经有了重大进展。
液态金属可用于伤残军人神经与骨骼修复
为了解决医学上的世界性难题——断裂和损伤神经的修复问题，刘静教授研究团队对液态金属的神经信号传递功能进行了深入研究，发现神经信号传递主要就是电信号，因此进行了一系列相关实验，才有了上述关于液态金属运动变形的发现。
其实，在利用液态金属修复断裂神经的生物实验中，还有个有趣的故事。
研究团队利用液态金属修复完一只牛蛙断裂的坐骨神经后，将其养在一只大圆桶里。没想到有天晚上，牛蛙跳出大圆桶逃了出来。那个大圆桶又高又大，平时正常牛蛙都无法跳出来。由此可见，液态金属修复断裂神经的效果非常好。
该方向工作目前已持续完成一系列离体和在体动物实验，证实了新方法的重大意义；甚至，借助神经调控，可使得业已死亡的动物也能如同活体一般运动起来。相应努力展示了新技术的广阔发展前景，可望催生出机器与人体复合的赛博格技术。
液态金属神经功能连接与修复，为神经修复这一世界性难题的解决提供了一种全新方案。刘静团队的开创性工作在国际上被称为“极令人震惊的医学突破、科学突破”，为麻省理工技术评论、新科学家、福克斯新闻等众多国际顶尖科学新闻广泛报道，在Google上的直接或间接转引报道条目曾一度超过一千万。
刘静团队预计三至五年时间可完成在临床上的充分验证，未来有望用于广泛意义上的外科临床或伤残军人神经修复。
不但如此，液态金属在骨骼修复领域也有重大应用价值。2014年10月，刘静教授团队提出了低熔点液态合金骨水泥技术，创造性地将液态金属引入到骨修复领域。
修复过程就好像美国科幻电影《金刚狼》那样，用注射器将液态金属骨水泥注入需要修复的人体部位并固化，可帮助人体在原位重建骨骼。从液态金属易于实现固液转化的角度，他们还提出了刚柔相济的液态金属外骨骼技术。
液态金属在电子信息和计算机领域的广泛应用
其实，在成为液态金属“教父”之前，刘静教授攻读和从事的方向叫生物传热学。在清华大学以生物传热学研究获得博士之后毕业留校任教，后来又去美国普度大学进行博士后研究。
1999年，刘静回国创办了中科院理化研究所低温生物与医学实验室，一开始主要是在生物医学领域进行研究，后考虑到实验室生存发展之需开启了液态金属探索。在肿瘤高低温复式治疗设备“康博刀”十余年的研发过程中，刘静教授团队陆续揭开了液态金属诸多优异的物质特性和突破性用途。
2014年，国际传热大会在日本京都召开，刘静获得传热学界“终身成就奖”——威廉·伯格奖。刘静以《通向恶性肿瘤靶向冷冻或热消融治疗的途径：生物体系内热量的精准输运》为题作大会主题报告，宣告肿瘤高低温复式治疗设备“康博刀”即将进入临床应用。
国际传热大会是目前国际传热学界级别最高，规模最大的会议，被誉为国际传热学界的奥林匹克盛会。威廉•伯格奖由国际传热传质中心（ICHMT）执行委员会、国际传热大会理事会（AIHTC）及Begell House出版社共同设立，旨在纪念前美国哥伦比亚大学工程学教授William Begell博士。获奖者系从每届国际传热大会经提名并最终遴选的全球所有45分钟大会主题报告人中选出。
在不断推进医疗技术研究的同时，刘静教授研究团队陆续开发了液态金属芯片冷却技术，世界首台液态金属电子电路打印机，首台室温金属3D打印机等等开创性技术。
液态金属是极为理想的功能性印刷电子油墨和3D打印材料，可由此快速制造出所需要的柔性电子、传感器、执行器、智能天线、屏蔽材料乃至集各种功能于一体的终端功能器件与装备，为大量的先进国防电子装备的快速制造开辟了一片崭新的天地。
经过十多年的持续探索和积淀，刘静教授及其团队已形成从材料、器件到制造装备等方面的全面突破和创新，并培养出一批实力领先的研发和产业化队伍，如北京梦之墨科技有限公司、云南中宣液态金属科技有限公司等出品的液态金属电子材料和电子制造装备等已规模化进入市场，可实现在纸张、树叶、衣服、人体等各种表面低成本打印电子电路。
美国国防部近期斥资1.71亿美元启动的混合柔性电子项目，彰显柔性电子在国防军工领域的重大价值。而中国早已形成产品并推动了系列市场应用。
2017年，刘静教授团队在国际上首次提出了基于液态金属的计算机及全液态量子器件的技术概念。
刘静教授介绍，量子计算机在物理实现上要走向集成化和小型化，其最为核心的一种逻辑运算器件是依托量子隧穿效应。目前几乎所有实现量子隧穿效应的器件均由一个三明治刚体结构组成，中间层为绝缘的纳米尺度薄层，两侧为导电介质电极。这些结构由于是固体器件，制造精度要求极高，中间层厚度不易灵活调整，整个器件的形状无法变形、分割，只能按其特定结构实现对应功能，应用上会受到一定限制。
液态金属置于液体中会自然形成一个“液态金属电极—液膜—液态金属电极”的三明治结构，在外界因素作用下可灵活变形。取决于不同的外加电场作用，液膜间隙可达极小尺度甚至完全消失，其两侧电阻会随此尺寸和结构的变化作对应响应。因此，如果将两个液态金属之间的液膜厚度控制在一定范围内，则有望实现全液态量子隧穿效应。
该研究团队不但提出了全液态量子隧穿效应器件的思想，还给出了制备方法，部分材料和技术方案已经形成发明专利。可变形液态金属量子材料与器件技术思想的提出，可能助推新一代量子计算与智能系统的制造和集成技术的突破。
基于液态金属器件，该研究组还在早前于国际上首次提出了液态金属计算机的基本概念和技术方案，相应发明专利的基本架构和核心器件已获得受理，系国际上该领域的全新尝试。返回搜狐，查看