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你以为只有猫是液体的?机器人也可以是液体的! | 饶伟

你以为只有猫是液体的?机器人也可以是液体的! | 饶伟

  • 分类:新闻资讯
  • 作者:
  • 来源:
  • 发布时间:2020-06-10
  • 访问量:0

【概要描述】“偶然性和必然性是相互关联的。正是由于团队长期对液态金属工作的坚持,长期对它背后基础科学问题的研究积累,从冷门做到热门,才有了很多意外的收获。”

https://v.qq.com/x/page/p09682qncxf.html(视频)

饶伟

 中国科学院理化技术研究所研究员

今天非常荣幸可以跟大家一起分享液态金属的前世和今生。 说到液态金属,很多人都会想到一部电影 ——《终结者2》。这部电影构筑了一个液态金属机器人的形象。

 



 



《终结者2》液态金属机器人:科幻与现实

 


这样的一个机器人可以在固体和液体之间自由转换,可以穿墙破壁,甚至可以自由塑形,可以奔跑,在受到枪击之后也可以很神奇地进行自我修复。这样一个无所不能的机器人形象给我们带来了无数的遐想。
科幻电影制作中充满了想象,但是很多的科幻都是有着它的现实和科学基础的。
构建液态金属机器人,其中最为关键的就是室温液态金属材料。

室温液态金属材料


什么是室温液态金属材料呢?
从字面上理解,它要在室温下兼具流体和金属两种材料的特性。可以实现肆意的流动,同时还可以有不同的形状。

 



室温液态金属

 

常见的室温液态金属有下面几种类型。
一种是金属汞。生活中常用的水银温度计当中用到的材料就是汞,但是汞有毒,并且很容易挥发,现在已经被国家全面禁用了。 第二类就是钠钾合金。我博士期间主要的研究对象就是钠钾合金。一般做实验的时候肯定要把灭火器放在旁边随时备用,因为钠钾合金的化学性质太活泼了,遇到水之后非常容易产生燃烧,甚至是爆炸。

 



 

再有一类液态金属是金属铯及铯的同位素。铯的同位素具有很强的放射性。 所以,从安全性的角度来说,这三类材料都不太适合在日常生活当中对它进行操控和利用。 有没有一类室温液态金属没有毒,不挥发,同时化学性质也没有那么活泼,而且没有放射性?
还真有,就是镓以及它的二元、三元以及多元的合金。 镓的合金的发现其实也有很长的历史了,我们可以利用它高导热的特点,把高密度热流所产生的热从一个地方转移到另外一个地方实现有效的散热。
2002年,我们团队在国际上首次提出了基于室温液态金属的芯片冷却技术。经过十几年的发展,目前液态金属散热在芯片散热,LED灯,激光器等领域都开始发挥它相应的作用。

 



 



 

近期我们也运用液态金属散热系统给无人机定制了一个特殊的散热系统。
这样的无人机由于它加载了高功率密度的激光器,所以对散热的要求是非常高的。液态金属散热以及相应的热界面材料可以很好解决它的散热问题。 如果只是把液态金属运用到散热,今天的故事就可以结束了。但是,大家想听的液态金属机器人的故事还没开始呢。

开启液态金属机器人的大门


对于科学工作者来说,要想实现从液态金属散热到液态金属机器人也是一个逐步探索的过程。在很长的时间里并没有一个很好的解决办法。 在一个很偶然的实验中,我们把液态金属、电解质、电极这三个基本的要素结合在一起。
当时在做一个利用液态金属修复神经的工作,当把这三个要素结合在一起的时候,我们发现液态金属可以在电极的引导下实现一个定向的运动。
这样的一个很神奇的发现,可以说开启了液态金属机器人新世界的大门。

 



 

把这三个要素从机体转移到一个开放的玻璃器皿当中,又可以看到这样一个液态金属二维的薄膜,它可以在很短的时间之内,缩为一个三维的液态金属液滴,实现一个比表面积1000倍范围的一个变化。

 



大尺度变形:不同构象之间转换

 

更进一步,我们希望这是可逆的,它的变形能否实现呢?答案是肯定的。
通过添加和去除液态金属液滴表面的氧化层,在电场和化学场的协同作用下就可以实现可逆变形。

 



可逆变形:电化学协同控制

 

除了变形之外,液态金属可以实现一个定向运动,在电场的引导下,它可以从空间的一端穿过比自身直径小十几倍的狭小的隙缝,运动到空间的另外一端。

 



变形+运动

 

遇到斜坡的时候它也可以很努力地像毛毛虫一样实现一个逆重力攀爬的结果。
电控逆重力攀爬
在这样的实验中实现了自由塑形的效应,通过调控它的机理,可以轻松得到液态金属线,三角形的液态金属,以及正方形的液态金属等等,当然更多复杂的形状也可以很轻松地得到。

 



自由塑形

 

刚刚展示的都是液态金属在电场调控下的一系列行为。其他的外场有没有可能对液态金属产生影响呢?答案也是肯定的。 下图展示的就是液态金属在磁场的调控下合并并且逆重力攀爬的过程。

 



磁控:变形+运动

 

液态金属磁性材料不但可以进行变形,还可以进行磁性的重构,实现了柔性顺磁性材料的很多新运用。
除了磁场之外,热场也可以对液态金属产生一定的调控,下面几张图展示了利用外激光对液态金属复合材料进行自主调控的过程。

 



 



热控:变形+运动

 

复合材料构筑了这样一个“章鱼”,激光器指哪儿它就打哪儿,甚至在温度高的时候还可以流出几滴章鱼的眼泪,此外它还可以像毛毛虫一样进行伸缩前进。

 



热控:变形+运动

 

液态金属机器人研究的分水岭和进展
再往前我们希望能够构筑更加复杂,甚至更加智能化的液态金属机器人。
提到智能化,有一类机器人就是类生物体的机器人,它最基本的特征就是可以在没有任何外场的驱动下实现自主运动。 液态金属机器人可不可以实现呢?
说到这儿,不得不提到我们又一个偶然的实验发现。当时在实验当中,我们的同学希望找到一个东西拨动液态金属液滴,当时手边并没有什么工具,所以她随手撕了一张铝箔,拨动了这个液滴。


自驱动液态金属机器人
没想到这个液滴吃下了铝箔,同时在电解质溶液当中实现了没有外场驱动的自主旋转长达一个多小时。在各种形状的沟槽当中,它也可以进行运动。
这样的发现可以说是划分液态金属机器人研究分水岭的事件,当时也引起了非常大的影响,世界上主要的相关媒体都对这个现象做了相应的报道,这也入选了当年的两院院士评选的十大新闻进展之一。 再往前进化,类生物体的机器人还有一个很卓越的特征:它一般是固液组合式的,就像人一般是由坚硬的骨骼和柔软的肌肉所组成。 液态金属机器人有没有可能实现自驱动固液组合机器呢?
说到这儿又不得不提到我们另外一个偶然的发现。在自驱动机器人发现的过程当中,我们的同学用到了铝箔。在组合机器的实验中,我们也想找到一个东西把液态金属液滴挪到一个合适的位置。 这次我们的同学找到了一个比较靠谱的东西,就是铜丝,当把这个铜丝插入到液态金属液滴之后,液滴很迅速地把铜丝给吃了进去,它可以自激振荡,同时我们还可以对振幅和频率进行调控。

 



 



自驱动固液组合机器:自激振荡效应

 

生命最基本的特征是具有节律性和周期性,现在液态金属的类生物体机器人也可以具有这样的特性。所以这个效应让我们对液态金属机器人有了更多的思考。 类生物体机器人还有一个基本的效应就是胞吞效应,液态金属机器人可不可以实现这样的一个功能呢?

 



 



类生物体特征:胞吞效应

 

通过上面的动图可以看到,液态金属可以很轻松地把表面附着的一层铜颗粒吞入体内,实现胞吞效应。
说到类生物,我们知道自然界还有一类很神奇的生物体,可以通过变色,把自己和周围的环境伪装成一体,然后进行隐身。
液态金属一直是以银白色的金属光泽来示人的,它有没有可能变成各种各样的颜色呢?
说到这儿,又不得不提到另外一个偶然的事件,当时我们要拍一个科普视频,所以就想重复一下液态金属变形的实验,我就安排了我的学生来重复这个实验。

 



 

在他重复这个实验的过程当中,可能是经验不足,在液态金属液滴当中多加了一些铝。
这使液态金属在变形的同时还实现了一个变色的效果,从淡黄到棕色,然后再到更深的颜色,这个现象带给我们非常大的惊喜。

 



 



类生物体特征:基于结构色的变色效应

 

为什么会有这样一个变色的现象呢?
进一步的实验发现,它的变色其实跟它的氧化层的厚度有非常紧密的关系,氧化层改变了光路的影响。

 



类生物体特征:基于结构色的变色效应

 

掌握了这样的基本原理之后,我们就对它的氧化层厚度进行了精密的调控。它可以变成黄色的液态金属、黑色的液态金属,甚至是五颜六色、彩虹色的液态金属。
通过以上的介绍,大家可以发现目前液态金属可以在各种外场,电、磁,甚至是声、光、热、化学等场的控制下实现各种各样的功能。进化到现在,它也能跑会跳,能走会吃。

 



 

生命体的进化是一个非常有意思的过程,人类的产生也是从单细胞到多细胞,从水生动物再到陆生动物。
目前人类的进化经历了五亿多年的光景。液态金属机器人从最早的电控机器人的产生,到目前也只不过短短五年的光景。 在未来有没有可能会产生突破碳基生命的液态金属生命,像《终结者2》当中的液态金属机器人一样,可以自我变形,自我修复,具有思维,具有运动能力等等? 我们认为还是有这种可能性的。
在我们团队发表液态金属机器人相关的研究之前,国际上进行液态金属研究的团队可以说是屈指可数。
现在很多不同学科的研究者都涌入到液态金属研究领域,相信这种多学科的交叉肯定会赋予液态金属机器人更多新的生命。

液态金属的神奇应用


液态金属机器人确实非常神奇,在我们的实际生活当中,除了散热,液态金属还可以有哪些神奇的应用呢? 说到这儿我又不得不再次重提一下偶然事件。
我们在做实验的过程当中,很多次无意中把液态金属液滴滴落在桌面上,或者是采集数据的电脑屏幕上。我们习惯性的动作就是去轻轻涂抹这一滴金属,随着涂抹,很多情况下会得到一条连续的金属线。
所以,我们就想能不能用它来制作电子电路呢? 传统电子电路的制作是非常繁琐的,需要刻蚀,还需要很多复杂仪器的帮助。而液态金属电子电路的制作过程是非常简单的。

 



 



打破制造的不平等:通向普适制造的液态金属印刷电子学

 

像上面视频当中所展示的这样,它可以直接把液态金属墨水打印在机底上面,一步成形,不需要任何外部的辅助。
下面这些动态图展示了液态金属印刷电子在方方面面的应用。它可以在智能空间,人机交互,柔性的电子屏,即学即用的教育学领域,甚至是在未来的物联网领域发挥神奇的作用。

 



 



 



 



 



液态金属印刷电子在方方面面的应用

 

此外,我们可以把很多经典的世界名画,很多古典的艺术作品,通过液态金属打印印刷在机底上。同时,由于液态金属打印导电的特性,还可以赋予这些艺术作品一个光和影融合的效果。

 



科学与艺术的融合

 

还可以把液态金属打印在织物上,利用液态金属的光影效果和服装本身的设计,达到一个特别美好的呈现。

 



科学与时尚的融合

 

除此之外,液态金属还可以跟服装进行有机结合。把液态金属的柔性电路和充满时尚感的服装进行有机融合,液态金属可以充当服装当中电路的一个连接的桥梁,制造一个非常好的光效,相当于把一片星空穿在了自己的身上。 最后,还有几句想跟大家一起分享的话。如果大家问我有没有一种材料可以满足我们所有的想象?我的答案一定是液态金属。 在我们发现液态金属很多神奇效应的背后,充满了各种各样的偶然性。但是,偶然性和必然性是相互关联的。正是由于团队长期对液态金属工作的坚持,长期对它背后基础科学的积累才有了很多意外的收获。 不同于其他材料技术,很多是由国外先发现,然后我们再进行相应的跟踪模仿,二次创新,甚至是超越。而液态金属相关的材料以及它的技术是发源于中国,壮大于中国的。

 



 

人们以石器时代、青铜器时代、铁器时代、新材料时代来刻画历史文明的发展,可以看出材料、工业经济和人类文明的发展是息息相关的。
随着更多液态金属材料的发现,我们相信人类在未来也很有可能会进入液态金属时代,利用液态金属改变人们的认知,改变我们的科学理念,改变我们的技术水平,进而改变我们人类的物质文明。
版权说明:未经授权严禁任何形式的媒体转载和摘编,并且严禁转载至微信以外的平台!
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你以为只有猫是液体的?机器人也可以是液体的! | 饶伟

【概要描述】“偶然性和必然性是相互关联的。正是由于团队长期对液态金属工作的坚持,长期对它背后基础科学问题的研究积累,从冷门做到热门,才有了很多意外的收获。”

https://v.qq.com/x/page/p09682qncxf.html(视频)

饶伟

 中国科学院理化技术研究所研究员

今天非常荣幸可以跟大家一起分享液态金属的前世和今生。 说到液态金属,很多人都会想到一部电影 ——《终结者2》。这部电影构筑了一个液态金属机器人的形象。

 



 



《终结者2》液态金属机器人:科幻与现实

 


这样的一个机器人可以在固体和液体之间自由转换,可以穿墙破壁,甚至可以自由塑形,可以奔跑,在受到枪击之后也可以很神奇地进行自我修复。这样一个无所不能的机器人形象给我们带来了无数的遐想。
科幻电影制作中充满了想象,但是很多的科幻都是有着它的现实和科学基础的。
构建液态金属机器人,其中最为关键的就是室温液态金属材料。

室温液态金属材料


什么是室温液态金属材料呢?
从字面上理解,它要在室温下兼具流体和金属两种材料的特性。可以实现肆意的流动,同时还可以有不同的形状。

 



室温液态金属

 

常见的室温液态金属有下面几种类型。
一种是金属汞。生活中常用的水银温度计当中用到的材料就是汞,但是汞有毒,并且很容易挥发,现在已经被国家全面禁用了。 第二类就是钠钾合金。我博士期间主要的研究对象就是钠钾合金。一般做实验的时候肯定要把灭火器放在旁边随时备用,因为钠钾合金的化学性质太活泼了,遇到水之后非常容易产生燃烧,甚至是爆炸。

 



 

再有一类液态金属是金属铯及铯的同位素。铯的同位素具有很强的放射性。 所以,从安全性的角度来说,这三类材料都不太适合在日常生活当中对它进行操控和利用。 有没有一类室温液态金属没有毒,不挥发,同时化学性质也没有那么活泼,而且没有放射性?
还真有,就是镓以及它的二元、三元以及多元的合金。 镓的合金的发现其实也有很长的历史了,我们可以利用它高导热的特点,把高密度热流所产生的热从一个地方转移到另外一个地方实现有效的散热。
2002年,我们团队在国际上首次提出了基于室温液态金属的芯片冷却技术。经过十几年的发展,目前液态金属散热在芯片散热,LED灯,激光器等领域都开始发挥它相应的作用。

 



 



 

近期我们也运用液态金属散热系统给无人机定制了一个特殊的散热系统。
这样的无人机由于它加载了高功率密度的激光器,所以对散热的要求是非常高的。液态金属散热以及相应的热界面材料可以很好解决它的散热问题。 如果只是把液态金属运用到散热,今天的故事就可以结束了。但是,大家想听的液态金属机器人的故事还没开始呢。

开启液态金属机器人的大门


对于科学工作者来说,要想实现从液态金属散热到液态金属机器人也是一个逐步探索的过程。在很长的时间里并没有一个很好的解决办法。 在一个很偶然的实验中,我们把液态金属、电解质、电极这三个基本的要素结合在一起。
当时在做一个利用液态金属修复神经的工作,当把这三个要素结合在一起的时候,我们发现液态金属可以在电极的引导下实现一个定向的运动。
这样的一个很神奇的发现,可以说开启了液态金属机器人新世界的大门。

 



 

把这三个要素从机体转移到一个开放的玻璃器皿当中,又可以看到这样一个液态金属二维的薄膜,它可以在很短的时间之内,缩为一个三维的液态金属液滴,实现一个比表面积1000倍范围的一个变化。

 



大尺度变形:不同构象之间转换

 

更进一步,我们希望这是可逆的,它的变形能否实现呢?答案是肯定的。
通过添加和去除液态金属液滴表面的氧化层,在电场和化学场的协同作用下就可以实现可逆变形。

 



可逆变形:电化学协同控制

 

除了变形之外,液态金属可以实现一个定向运动,在电场的引导下,它可以从空间的一端穿过比自身直径小十几倍的狭小的隙缝,运动到空间的另外一端。

 



变形+运动

 

遇到斜坡的时候它也可以很努力地像毛毛虫一样实现一个逆重力攀爬的结果。
电控逆重力攀爬
在这样的实验中实现了自由塑形的效应,通过调控它的机理,可以轻松得到液态金属线,三角形的液态金属,以及正方形的液态金属等等,当然更多复杂的形状也可以很轻松地得到。

 



自由塑形

 

刚刚展示的都是液态金属在电场调控下的一系列行为。其他的外场有没有可能对液态金属产生影响呢?答案也是肯定的。 下图展示的就是液态金属在磁场的调控下合并并且逆重力攀爬的过程。

 



磁控:变形+运动

 

液态金属磁性材料不但可以进行变形,还可以进行磁性的重构,实现了柔性顺磁性材料的很多新运用。
除了磁场之外,热场也可以对液态金属产生一定的调控,下面几张图展示了利用外激光对液态金属复合材料进行自主调控的过程。

 



 



热控:变形+运动

 

复合材料构筑了这样一个“章鱼”,激光器指哪儿它就打哪儿,甚至在温度高的时候还可以流出几滴章鱼的眼泪,此外它还可以像毛毛虫一样进行伸缩前进。

 



热控:变形+运动

 

液态金属机器人研究的分水岭和进展
再往前我们希望能够构筑更加复杂,甚至更加智能化的液态金属机器人。
提到智能化,有一类机器人就是类生物体的机器人,它最基本的特征就是可以在没有任何外场的驱动下实现自主运动。 液态金属机器人可不可以实现呢?
说到这儿,不得不提到我们又一个偶然的实验发现。当时在实验当中,我们的同学希望找到一个东西拨动液态金属液滴,当时手边并没有什么工具,所以她随手撕了一张铝箔,拨动了这个液滴。


自驱动液态金属机器人
没想到这个液滴吃下了铝箔,同时在电解质溶液当中实现了没有外场驱动的自主旋转长达一个多小时。在各种形状的沟槽当中,它也可以进行运动。
这样的发现可以说是划分液态金属机器人研究分水岭的事件,当时也引起了非常大的影响,世界上主要的相关媒体都对这个现象做了相应的报道,这也入选了当年的两院院士评选的十大新闻进展之一。 再往前进化,类生物体的机器人还有一个很卓越的特征:它一般是固液组合式的,就像人一般是由坚硬的骨骼和柔软的肌肉所组成。 液态金属机器人有没有可能实现自驱动固液组合机器呢?
说到这儿又不得不提到我们另外一个偶然的发现。在自驱动机器人发现的过程当中,我们的同学用到了铝箔。在组合机器的实验中,我们也想找到一个东西把液态金属液滴挪到一个合适的位置。 这次我们的同学找到了一个比较靠谱的东西,就是铜丝,当把这个铜丝插入到液态金属液滴之后,液滴很迅速地把铜丝给吃了进去,它可以自激振荡,同时我们还可以对振幅和频率进行调控。

 



 



自驱动固液组合机器:自激振荡效应

 

生命最基本的特征是具有节律性和周期性,现在液态金属的类生物体机器人也可以具有这样的特性。所以这个效应让我们对液态金属机器人有了更多的思考。 类生物体机器人还有一个基本的效应就是胞吞效应,液态金属机器人可不可以实现这样的一个功能呢?

 



 



类生物体特征:胞吞效应

 

通过上面的动图可以看到,液态金属可以很轻松地把表面附着的一层铜颗粒吞入体内,实现胞吞效应。
说到类生物,我们知道自然界还有一类很神奇的生物体,可以通过变色,把自己和周围的环境伪装成一体,然后进行隐身。
液态金属一直是以银白色的金属光泽来示人的,它有没有可能变成各种各样的颜色呢?
说到这儿,又不得不提到另外一个偶然的事件,当时我们要拍一个科普视频,所以就想重复一下液态金属变形的实验,我就安排了我的学生来重复这个实验。

 



 

在他重复这个实验的过程当中,可能是经验不足,在液态金属液滴当中多加了一些铝。
这使液态金属在变形的同时还实现了一个变色的效果,从淡黄到棕色,然后再到更深的颜色,这个现象带给我们非常大的惊喜。

 



 



类生物体特征:基于结构色的变色效应

 

为什么会有这样一个变色的现象呢?
进一步的实验发现,它的变色其实跟它的氧化层的厚度有非常紧密的关系,氧化层改变了光路的影响。

 



类生物体特征:基于结构色的变色效应

 

掌握了这样的基本原理之后,我们就对它的氧化层厚度进行了精密的调控。它可以变成黄色的液态金属、黑色的液态金属,甚至是五颜六色、彩虹色的液态金属。
通过以上的介绍,大家可以发现目前液态金属可以在各种外场,电、磁,甚至是声、光、热、化学等场的控制下实现各种各样的功能。进化到现在,它也能跑会跳,能走会吃。

 



 

生命体的进化是一个非常有意思的过程,人类的产生也是从单细胞到多细胞,从水生动物再到陆生动物。
目前人类的进化经历了五亿多年的光景。液态金属机器人从最早的电控机器人的产生,到目前也只不过短短五年的光景。 在未来有没有可能会产生突破碳基生命的液态金属生命,像《终结者2》当中的液态金属机器人一样,可以自我变形,自我修复,具有思维,具有运动能力等等? 我们认为还是有这种可能性的。
在我们团队发表液态金属机器人相关的研究之前,国际上进行液态金属研究的团队可以说是屈指可数。
现在很多不同学科的研究者都涌入到液态金属研究领域,相信这种多学科的交叉肯定会赋予液态金属机器人更多新的生命。

液态金属的神奇应用


液态金属机器人确实非常神奇,在我们的实际生活当中,除了散热,液态金属还可以有哪些神奇的应用呢? 说到这儿我又不得不再次重提一下偶然事件。
我们在做实验的过程当中,很多次无意中把液态金属液滴滴落在桌面上,或者是采集数据的电脑屏幕上。我们习惯性的动作就是去轻轻涂抹这一滴金属,随着涂抹,很多情况下会得到一条连续的金属线。
所以,我们就想能不能用它来制作电子电路呢? 传统电子电路的制作是非常繁琐的,需要刻蚀,还需要很多复杂仪器的帮助。而液态金属电子电路的制作过程是非常简单的。

 



 



打破制造的不平等:通向普适制造的液态金属印刷电子学

 

像上面视频当中所展示的这样,它可以直接把液态金属墨水打印在机底上面,一步成形,不需要任何外部的辅助。
下面这些动态图展示了液态金属印刷电子在方方面面的应用。它可以在智能空间,人机交互,柔性的电子屏,即学即用的教育学领域,甚至是在未来的物联网领域发挥神奇的作用。

 



 



 



 



 



液态金属印刷电子在方方面面的应用

 

此外,我们可以把很多经典的世界名画,很多古典的艺术作品,通过液态金属打印印刷在机底上。同时,由于液态金属打印导电的特性,还可以赋予这些艺术作品一个光和影融合的效果。

 



科学与艺术的融合

 

还可以把液态金属打印在织物上,利用液态金属的光影效果和服装本身的设计,达到一个特别美好的呈现。

 



科学与时尚的融合

 

除此之外,液态金属还可以跟服装进行有机结合。把液态金属的柔性电路和充满时尚感的服装进行有机融合,液态金属可以充当服装当中电路的一个连接的桥梁,制造一个非常好的光效,相当于把一片星空穿在了自己的身上。 最后,还有几句想跟大家一起分享的话。如果大家问我有没有一种材料可以满足我们所有的想象?我的答案一定是液态金属。 在我们发现液态金属很多神奇效应的背后,充满了各种各样的偶然性。但是,偶然性和必然性是相互关联的。正是由于团队长期对液态金属工作的坚持,长期对它背后基础科学的积累才有了很多意外的收获。 不同于其他材料技术,很多是由国外先发现,然后我们再进行相应的跟踪模仿,二次创新,甚至是超越。而液态金属相关的材料以及它的技术是发源于中国,壮大于中国的。

 



 

人们以石器时代、青铜器时代、铁器时代、新材料时代来刻画历史文明的发展,可以看出材料、工业经济和人类文明的发展是息息相关的。
随着更多液态金属材料的发现,我们相信人类在未来也很有可能会进入液态金属时代,利用液态金属改变人们的认知,改变我们的科学理念,改变我们的技术水平,进而改变我们人类的物质文明。
版权说明:未经授权严禁任何形式的媒体转载和摘编,并且严禁转载至微信以外的平台!
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原创 格致论道 格致论道讲坛 6月10日 

 

偶然性和必然性是相互关联的。正是由于团队长期对液态金属工作的坚持,长期对它背后基础科学问题的研究积累,从冷门做到热门,才有了很多意外的收获。

https://v.qq.com/x/page/p09682qncxf.html(视频)

饶伟

 中国科学院理化技术研究所研究员

今天非常荣幸可以跟大家一起分享液态金属的前世和今生。 说到液态金属,很多人都会想到一部电影 ——《终结者2。这部电影构筑了一个液态金属机器人的形象。

 

 

《终结者2》液态金属机器人:科幻与现实

 


这样的一个机器人可以在固体和液体之间自由转换,可以穿墙破壁,甚至可以自由塑形,可以奔跑,在受到枪击之后也可以很神奇地进行自我修复。这样一个无所不能的机器人形象给我们带来了无数的遐想。
科幻电影制作中充满了想象,但是很多的科幻都是有着它的现实和科学基础的。
构建液态金属机器人,其中最为关键的就是室温液态金属材料

室温液态金属材料


什么是室温液态金属材料呢?
从字面上理解,它要在室温下兼具流体和金属两种材料的特性。可以实现肆意的流动,同时还可以有不同的形状。

 

室温液态金属

 

常见的室温液态金属有下面几种类型。
一种是金属汞。生活中常用的水银温度计当中用到的材料就是汞,但是汞有毒,并且很容易挥发,现在已经被国家全面禁用了。 第二类就是钠钾合金。我博士期间主要的研究对象就是钠钾合金。一般做实验的时候肯定要把灭火器放在旁边随时备用,因为钠钾合金的化学性质太活泼了,遇到水之后非常容易产生燃烧,甚至是爆炸。

 

 

再有一类液态金属是金属铯及铯的同位素。铯的同位素具有很强的放射性。 所以,从安全性的角度来说,这三类材料都不太适合在日常生活当中对它进行操控和利用。 有没有一类室温液态金属没有毒,不挥发,同时化学性质也没有那么活泼,而且没有放射性
还真有,就是镓以及它的二元、三元以及多元的合金 镓的合金的发现其实也有很长的历史了,我们可以利用它高导热的特点,把高密度热流所产生的热从一个地方转移到另外一个地方实现有效的散热。
2002年,我们团队在国际上首次提出了基于室温液态金属的芯片冷却技术。经过十几年的发展,目前液态金属散热在芯片散热,LED灯,激光器等领域都开始发挥它相应的作用。

 

 

 

近期我们也运用液态金属散热系统给无人机定制了一个特殊的散热系统
这样的无人机由于它加载了高功率密度的激光器,所以对散热的要求是非常高的。液态金属散热以及相应的热界面材料可以很好解决它的散热问题 如果只是把液态金属运用到散热,今天的故事就可以结束了。但是,大家想听的液态金属机器人的故事还没开始呢。

开启液态金属机器人的大门


对于科学工作者来说,要想实现从液态金属散热液态金属机器人也是一个逐步探索的过程。在很长的时间里并没有一个很好的解决办法。 在一个很偶然的实验中,我们把液态金属、电解质、电极这三个基本的要素结合在一起。
当时在做一个利用液态金属修复神经的工作,当把这三个要素结合在一起的时候,我们发现液态金属可以在电极的引导下实现一个定向的运动
这样的一个很神奇的发现,可以说开启了液态金属机器人新世界的大门。

 

 

把这三个要素从机体转移到一个开放的玻璃器皿当中,又可以看到这样一个液态金属二维的薄膜,它可以在很短的时间之内,缩为一个三维的液态金属液滴,实现一个比表面积1000倍范围的一个变化。

 

大尺度变形:不同构象之间转换

 

更进一步,我们希望这是可逆的,它的变形能否实现呢?答案是肯定的。
通过添加和去除液态金属液滴表面的氧化层,在电场和化学场的协同作用下就可以实现可逆变形。

 

可逆变形:电化学协同控制

 

除了变形之外,液态金属可以实现一个定向运动,在电场的引导下,它可以从空间的一端穿过比自身直径小十几倍的狭小的隙缝,运动到空间的另外一端。

 

变形+运动

 

遇到斜坡的时候它也可以很努力地像毛毛虫一样实现一个逆重力攀爬的结果。
电控逆重力攀爬
在这样的实验中实现了自由塑形的效应,通过调控它的机理,可以轻松得到液态金属线,三角形的液态金属,以及正方形的液态金属等等,当然更多复杂的形状也可以很轻松地得到。

 

自由塑形

 

刚刚展示的都是液态金属在电场调控下的一系列行为。其他的外场有没有可能对液态金属产生影响呢?答案也是肯定的。 下图展示的就是液态金属在磁场的调控下合并并且逆重力攀爬的过程。

 

磁控:变形+运动

 

液态金属磁性材料不但可以进行变形,还可以进行磁性的重构,实现了柔性顺磁性材料的很多新运用。
除了磁场之外,热场也可以对液态金属产生一定的调控,下面几张图展示了利用外激光对液态金属复合材料进行自主调控的过程

 

 

热控:变形+运动

 

复合材料构筑了这样一个“章鱼”,激光器指哪儿它就打哪儿,甚至在温度高的时候还可以流出几滴章鱼的眼泪,此外它还可以像毛毛虫一样进行伸缩前进。

 

热控:变形+运动

 

液态金属机器人研究的分水岭和进展
再往前我们希望能够构筑更加复杂,甚至更加智能化的液态金属机器人
提到智能化,有一类机器人就是类生物体的机器人,它最基本的特征就是可以在没有任何外场的驱动下实现自主运动。 液态金属机器人可不可以实现呢?
说到这儿,不得不提到我们又一个偶然的实验发现。当时在实验当中,我们的同学希望找到一个东西拨动液态金属液滴,当时手边并没有什么工具,所以她随手撕了一张铝箔,拨动了这个液滴。


自驱动液态金属机器人
没想到这个液滴吃下了铝箔,同时在电解质溶液当中实现了没有外场驱动的自主旋转长达一个多小时。在各种形状的沟槽当中,它也可以进行运动。
这样的发现可以说是划分液态金属机器人研究分水岭的事件,当时也引起了非常大的影响,世界上主要的相关媒体都对这个现象做了相应的报道,这也入选了当年的两院院士评选的十大新闻进展之一。 再往前进化,类生物体的机器人还有一个很卓越的特征:它一般是固液组合式的,就像人一般是由坚硬的骨骼和柔软的肌肉所组成。 液态金属机器人有没有可能实现自驱动固液组合机器呢?
说到这儿又不得不提到我们另外一个偶然的发现。在自驱动机器人发现的过程当中,我们的同学用到了铝箔。在组合机器的实验中,我们也想找到一个东西把液态金属液滴挪到一个合适的位置。 这次我们的同学找到了一个比较靠谱的东西,就是铜丝,当把这个铜丝插入到液态金属液滴之后,液滴很迅速地把铜丝给吃了进去,它可以自激振荡,同时我们还可以对振幅和频率进行调控。

 

 

自驱动固液组合机器:自激振荡效应

 

生命最基本的特征是具有节律性和周期性,现在液态金属的类生物体机器人也可以具有这样的特性。所以这个效应让我们对液态金属机器人有了更多的思考。 类生物体机器人还有一个基本的效应就是胞吞效应,液态金属机器人可不可以实现这样的一个功能呢?

 

 

类生物体特征:胞吞效应

 

通过上面的动图可以看到,液态金属可以很轻松地把表面附着的一层铜颗粒吞入体内,实现胞吞效应。
说到类生物,我们知道自然界还有一类很神奇的生物体,可以通过变色,把自己和周围的环境伪装成一体,然后进行隐身
液态金属一直是以银白色的金属光泽来示人的,它有没有可能变成各种各样的颜色呢?
说到这儿,又不得不提到另外一个偶然的事件,当时我们要拍一个科普视频,所以就想重复一下液态金属变形的实验,我就安排了我的学生来重复这个实验。

 

 

在他重复这个实验的过程当中,可能是经验不足,在液态金属液滴当中多加了一些铝。
这使液态金属在变形的同时还实现了一个变色的效果,从淡黄到棕色,然后再到更深的颜色,这个现象带给我们非常大的惊喜。

 

 

类生物体特征:基于结构色的变色效应

 

为什么会有这样一个变色的现象呢?
进一步的实验发现,它的变色其实跟它的氧化层的厚度有非常紧密的关系,氧化层改变了光路的影响

 

类生物体特征:基于结构色的变色效应

 

掌握了这样的基本原理之后,我们就对它的氧化层厚度进行了精密的调控。它可以变成黄色的液态金属、黑色的液态金属,甚至是五颜六色、彩虹色的液态金属。
通过以上的介绍,大家可以发现目前液态金属可以在各种外场,电、磁,甚至是声、光、热、化学等场的控制下实现各种各样的功能。进化到现在,它也能跑会跳,能走会吃。

 

 

生命体的进化是一个非常有意思的过程,人类的产生也是从单细胞到多细胞,从水生动物再到陆生动物。
目前人类的进化经历了五亿多年的光景。液态金属机器人从最早的电控机器人的产生,到目前也只不过短短五年的光景。 在未来有没有可能会产生突破碳基生命的液态金属生命,像《终结者2》当中的液态金属机器人一样,可以自我变形,自我修复,具有思维,具有运动能力等等? 我们认为还是有这种可能性的
在我们团队发表液态金属机器人相关的研究之前,国际上进行液态金属研究的团队可以说是屈指可数。
现在很多不同学科的研究者都涌入到液态金属研究领域,相信这种多学科的交叉肯定会赋予液态金属机器人更多新的生命。

液态金属的神奇应用


液态金属机器人确实非常神奇,在我们的实际生活当中,除了散热,液态金属还可以有哪些神奇的应用呢? 说到这儿我又不得不再次重提一下偶然事件。
我们在做实验的过程当中,很多次无意中把液态金属液滴滴落在桌面上,或者是采集数据的电脑屏幕上。我们习惯性的动作就是去轻轻涂抹这一滴金属,随着涂抹,很多情况下会得到一条连续的金属线。
所以,我们就想能不能用它来制作电子电路呢? 传统电子电路的制作是非常繁琐的,需要刻蚀,还需要很多复杂仪器的帮助。而液态金属电子电路的制作过程是非常简单的。

 

 

打破制造的不平等:通向普适制造的液态金属印刷电子学

 

像上面视频当中所展示的这样,它可以直接把液态金属墨水打印在机底上面,一步成形,不需要任何外部的辅助。
下面这些动态图展示了液态金属印刷电子在方方面面的应用。它可以在智能空间,人机交互,柔性的电子屏,即学即用的教育学领域,甚至是在未来的物联网领域发挥神奇的作用。

 

 

 

 

 

液态金属印刷电子在方方面面的应用

 

此外,我们可以把很多经典的世界名画,很多古典的艺术作品,通过液态金属打印印刷在机底上。同时,由于液态金属打印导电的特性,还可以赋予这些艺术作品一个光和影融合的效果。

 

科学与艺术的融合

 

还可以把液态金属打印在织物上,利用液态金属的光影效果和服装本身的设计,达到一个特别美好的呈现。

 

科学与时尚的融合

 

除此之外,液态金属还可以跟服装进行有机结合。把液态金属的柔性电路和充满时尚感的服装进行有机融合,液态金属可以充当服装当中电路的一个连接的桥梁,制造一个非常好的光效,相当于把一片星空穿在了自己的身上。 最后,还有几句想跟大家一起分享的话。如果大家问我有没有一种材料可以满足我们所有的想象?我的答案一定是液态金属。 在我们发现液态金属很多神奇效应的背后,充满了各种各样的偶然性。但是,偶然性和必然性是相互关联的。正是由于团队长期对液态金属工作的坚持,长期对它背后基础科学的积累才有了很多意外的收获。 不同于其他材料技术,很多是由国外先发现,然后我们再进行相应的跟踪模仿,二次创新,甚至是超越。而液态金属相关的材料以及它的技术是发源于中国,壮大于中国的。

 

 

人们以石器时代、青铜器时代、铁器时代、新材料时代来刻画历史文明的发展,可以看出材料、工业经济和人类文明的发展是息息相关的。
随着更多液态金属材料的发现,我们相信人类在未来也很有可能会进入液态金属时代,利用液态金属改变人们的认知,改变我们的科学理念,改变我们的技术水平,进而改变我们人类的物质文明。
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