科技日報實習(xí)記者 蘇菁菁

快看！這個小機(jī)器人先由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，在磁場的引導(dǎo)下，穿過了“牢籠”。

磁控機(jī)器人通過液化、穿過欄桿并使用放置在欄桿外的模具重新凝固來逃離牢籠。

(相關(guān)資料圖)

接下來，這攤“液體”通過放置在欄桿外的模具重新凝固，從液態(tài)又轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，最終小機(jī)器人成功“越獄”。

這不禁讓人聯(lián)想到《終結(jié)者》中的液體機(jī)器人，它的身體部位隨意變形武器，戰(zhàn)斗力驚人。

這充滿科幻色彩的一幕，出現(xiàn)在中美科學(xué)家聯(lián)合提出“磁控固-液相變材料”的實驗中。原來，該材料可以在交變磁場的作用下對固態(tài)的金屬加熱，使之變成液態(tài)，之后也可以通過冷卻，使金屬再由液態(tài)轉(zhuǎn)為固態(tài)。這一研究發(fā)表至國際期刊的《Cell》旗下子刊《Matter》，由中山大學(xué)廣東省傳感技術(shù)與生物醫(yī)療儀器重點實驗室、浙江大學(xué)流體動力與機(jī)電系統(tǒng)國家重點實驗室、卡耐基梅隆大學(xué)軟體機(jī)器人實驗室合作完成。

靈感來源：終結(jié)者與海參

中山大學(xué)教授蔣樂倫是這一論文的通訊作者之一，他告訴科技日報記者，這次工作的靈感來源于兩個方面：一是電影《終結(jié)者》，二則是動物海參。

“《終結(jié)者》中的液態(tài)金屬機(jī)器人的手，可以在固液切換后，之后變成一把刀，同時，機(jī)器人還可以變成液態(tài)后越獄。這是我們的靈感來源之一。”蔣樂倫說。

“作為科研工作者，在進(jìn)行一些原創(chuàng)性的工作時，需要一些靈感。像很多科幻片與科幻小說中，有很多非常有趣、天馬行空的創(chuàng)意與想法，這些想法能夠給我們啟發(fā)，我們也希望能實現(xiàn)科幻作品中的功能，拓展相應(yīng)的技術(shù)與能力。”蔣樂倫說。

蔣樂倫告訴科技日報記者，海參是非常有趣的動物，可以通過外界刺激來改變自己的硬度。

靈感是海參。

“海參通過改變富含蛋白的原纖維間基質(zhì)的硬度，來改變體壁外形。”蔣樂倫說，“這與我們?nèi)梭w的肌肉相似。比如，人在緊張狀態(tài)下，肌肉會變硬變緊，在放松狀態(tài)下，肌肉也會很軟。海參也是一樣?！?/p>

基于此，團(tuán)隊提出了磁控的固態(tài)和液態(tài)相互切換相變材料。這一材料不僅具有固態(tài)金屬的硬度與承載力，還有液態(tài)金屬的形變能力。

固態(tài)時剛度強(qiáng)?液態(tài)時可形變

液態(tài)金屬一般是低熔點的金屬。據(jù)蔣樂倫介紹，液態(tài)金屬在30攝氏度以上是液體，而30攝氏度以下是固體，這與人類生存的溫度相符。

為了充分利用液態(tài)金屬在特定條件下固-液切換的特性，研究團(tuán)隊將磁性顆粒混合融入液態(tài)金屬——鎵中。通過高頻的磁場加熱這一金屬后，該金屬會由原先的固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)。轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)后，又可以通過半導(dǎo)體制冷（珀耳帖效應(yīng)）或者自然冷卻來對金屬進(jìn)行降溫，從而使之由液態(tài)變?yōu)楣腆w。

此外，加入磁性顆粒后，施加的外部磁場還可以用來引導(dǎo)液態(tài)金屬移動和轉(zhuǎn)動，變形等。

據(jù)了解，這一磁控的固-液相變材料，在固態(tài)時有較高的剛度，而在液態(tài)下可以像水一樣。“固態(tài)時，金屬有很強(qiáng)的剛度，能夠承擔(dān)較大的重量，還能夠快速運動；而液態(tài)的金屬可以流動、分裂或融合，具有較強(qiáng)的形態(tài)適應(yīng)性。因此，我們的研究結(jié)合了固態(tài)與液態(tài)情況下金屬的優(yōu)勢?！笔Y樂倫說。

在研究過程中，從如何讓金屬快速冷卻，到如何使材料具有生物相容性，以此拓展材料的應(yīng)用場景，團(tuán)隊遇到了很多挑戰(zhàn)。“最終通過配方的不斷調(diào)整、細(xì)化，我們實現(xiàn)了較快的冷卻，也有望未來在人體中應(yīng)用?！笔Y樂倫說。

修復(fù)螺釘與電路 進(jìn)入人體取異物

據(jù)蔣樂倫介紹，磁控固-液相變材料在未來有三個方面的應(yīng)用。

“一是電子電路的修復(fù)。”蔣樂倫說，“在磁場環(huán)境下，相變機(jī)器人可推動電子元器件到封閉不可操作的空間，通過加熱之后由固態(tài)變成液態(tài)，來焊接這些電子元器件，從而修復(fù)電路。”蔣樂倫說。

二是零部件的組裝。固態(tài)機(jī)器人由磁場引導(dǎo)，抵達(dá)至損壞的位置，通過交變磁場加熱液化變形為萬能的螺釘，之后對兩個零部件進(jìn)行固定，完成零部件的組裝。

三是生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用?！袄?，兒童吃了一些異物之后，我們可以通過磁控固液相變材料，液化后抓取，固化后將異物提取出來?！笔Y樂倫說，“此外，這種相變材料還可以在固態(tài)下封裝藥物，液化后定點可控釋放藥物。”

在液體環(huán)境中，磁控機(jī)器人清除異物（綠色圓球）。

（中山大學(xué)供圖）

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