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不只是科幻:液态金属,让狂战士机甲走向现实
2019-03-07

实际上,液态金属不仅具有逆天的变形能力,还可能拥有“意志”。

卡梅隆监制的科幻动作大片《阿丽塔》上线已逾一周,赛博朋克风的设定令观众大呼过瘾。其主角阿丽塔是一个机械合成人,除了大脑和思维,她身体的一切都是机械改造的产物:心脏是反物质,血液是蓝色和红色的不知名液体,身体是失传300年含纳米黑科技的狂战士机甲等。这些给阿丽塔带来了十分强大的能量,尤其是那具火星共和国最强悍的机甲武器身体。

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图注:阿丽塔的狂战士机甲

看过电影的读者应该还记着下面两个片段:1.当这具狂战士机甲身体刚换到阿丽塔身上时,它贴合阿丽塔的实际身形进行了自动微调;2.当阿丽塔的身体被铁链击中之后,她伤口周围的肢体材料竟然流动起来,伤口也慢慢愈合了。

是不是想起了什么?电影《终结者》里的全液态金属机器人!的确,如果说现实中有一种材料能够达到电影中的以上这些效果,那么非液态金属莫属。今天我们就来揭秘一下这种神奇的液体。

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图注:液态金属机器人

液态金属:不止是像液体一样流动

我们一般说到液态金属,通常是指室温液态金属,顾名思义,就是一种在室温下不定型的、可以像液体一样流动的金属,亦即在室温下就能熔融的金属(单质或合金)。

目前自然界有四种非放射性的金属元素在室温下是液态的,分别是用来做体温计的水银(金属汞,熔点为-38.83°C)、铯(28.65°C),镓(29.76°C)和铷(38.89°C)。其中,镓既不像汞一样具有高毒性,也不像铷和铯一样化学性质太活泼,可以作为基底材料来制备各种液体金属合金,熔融温度甚至可以低于零度,是制造液体机器的主要材料。

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图注:温度计中的水银就是一种液态金属,对人体具有高毒性,不小心打碎后一定要妥善处理。

但液态金属又跟我们一般所了解的液态物质不一样,它具有许多独特又新奇的形变能力

比如当把带极低电压的电极靠近液态金属薄膜时,它会很快就收缩为一个微小球体。科学家又做了一系列的实验,发现液态金属在不同构象之间转变,所产生的表面积变化可从数十倍到上千倍,这种超常的尺度变形能力为研制液态可变形机器人的提供了可能。

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图注:在电极的作用下,液态金属薄膜迅速收缩

更令人惊喜的是,如果将电场和槽道的形状进行特殊设置,液态金属几乎可以呈现出几乎所有形态的变形和运动方式,甚至是可控的自旋转动及定向运动。

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图注:液态金属在电极作用下的可控流动

理论上讲,如果借助电脑来自动调控电压大小与供电方式、电极间距与排列组合方式、液态金属体积及流道材料与形状,乃至电解质溶液类型与浓度等,就可以获得千奇百怪的变形行为。

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图注:电场控制下的液态金属颗粒像一群小马达

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图注:液态金属在石墨烯的表面蠕动爬坡

镓在元素周期表中是一类接近非金属的金属元素,是抗磁性。而一些镓基液态金属合金的运动却能够受磁场的控制,这为液态金属的可控运动又提供一种新的可能。

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图注:磁控液态金属的运动

很显然,这为研制液态金属类柔性机器提供了关键技术支持。只要在液态金属材料中埋入足够多空间架构的电极,就能在三维层面上控制液体金属机器的形变和运动,再加入人工智能,就有希望形成仿生物或人形机器。阿丽塔的那身可以变换形状尺寸并且受伤后自愈合的机甲武器,也就离现实不远了。

液态金属:是材料,也可能是生命

作为一种新材料,液态金属能够实现可控的形变,这为制造液体机器人提供了理论和技术上的可行性。科学家还一度发现了另一种异常独特的现象:即液态金属在“吞食”少量物质之后,不需要施加外部电力,就可以保持长时间高速运动!

如“吞食”微量铝,可以使直径约5mm的液态金属球实现长达1小时以上的持续运动,速度高达5cm/s。

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图注:“吞食”铝之后的液态金属在自由运动

科学家研究发现这种运动的驱动力主要有两个,一个是“吞食”铝之后的尾部气泡所产生的气压差,另一个是铝与液态金属在一起会产生原电池效应,这种原电池效应产生的电势差导致液态金属表面张力分布不均匀,产生驱动力,这两种驱动力结合,液态金属既可在自由空间运动,又能于各种结构槽道中蜿蜒前行。

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图注:“吞食”铝之后的液态金属沿结构槽运动

很显然,这种自驱动性质可用来研制实用化智能马达、血管机器人、流体泵送系统、柔性执行器等。而更让人吃惊的是,这种能“吃”食物(燃料)、自主运动、可变形,具备一定代谢功能(化学反应)的材料,已相当接近一些自然界简单的软体生物!

通常我们所理解的生命是从地球上的有机分子开始演化出来的。事实上,只要存在一定的自我生长、繁衍、感觉、意识、意志、进化、互动等现象的存在,都可以称为广义的生命,包括人机混合体,纯自由意志人工智能机器人等。

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图注:电影《机器人总动员》里的机器人具备自由意志,也是一种生命

可以说,液态金属的这些奇特性质为我们开启了思考和认知宇宙的新脑洞。阿丽塔的机甲身体有可能会产生自己的意识,他们的战斗可能是两个生命体之间的合作。而在某个星球上,也许存在着另一种像液态金属一样的生命。我们在地球上研究着他们,说不定他们也在琢磨我们呢。

感谢:以上所有研究成果均来自中科院理化所和清华大学医学院液态金属研究组,视频由中科院理化所盛磊老师提供。

作者 | 鞠思婷 国家纳米科学中心博士

审稿 | 盛磊 中科院理化所副研究员

责编 | 高佩雯

转载自“科普中国”