小机器人液化后成功“越狱”，科研灵感来源是海参
发布时间： 2023-02-15 14:28:04 点击量：
这个小机器人先由固态变为液态，在磁场的引导下，穿过了“牢笼”。
接下来，这摊“液体”通过放置在栏杆外的模具重新凝固，从液态又转变为固态，最终小机器人成功“越狱”。
这不禁让人联想到《终结者》中的液体机器人，它的身体部位随意变形武器，战斗力惊人。
这充满科幻色彩的一幕，出现在中美科学家联合提出“磁控固-液相变材料”的实验中。原来，该材料可以在交变磁场的作用下对固态的金属加热，使之变成液态，之后也可以通过冷却，使金属再由液态转为固态。这一研究发表至国际期刊的《Cell》旗下子刊《Matter》，由中山大学广东省传感技术与生物医疗仪器重点实验室、浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室、卡耐基梅隆大学软体机器人实验室合作完成。
灵感来源：终结者与海参
中山大学教授蒋乐伦是这一论文的通讯作者之一，他告诉科技日报记者，这次工作的灵感来源于两个方面：一是电影《终结者》，二则是动物海参。
“《终结者》中的液态金属机器人的手，可以在固液切换后，之后变成一把刀，同时，机器人还可以变成液态后越狱。这是我们的灵感来源之一。”蒋乐伦说。
“作为科研工作者，在进行一些原创性的工作时，需要一些灵感。像很多科幻片与科幻小说中，有很多非常有趣、天马行空的创意与想法，这些想法能够给我们启发，我们也希望能实现科幻作品中的功能，拓展相应的技术与能力。”蒋乐伦说。
蒋乐伦告诉科技日报记者，海参是非常有趣的动物，可以通过外界刺激来改变自己的硬度。
灵感是海参。
“海参通过改变富含蛋白的原纤维间基质的硬度，来改变体壁外形。”蒋乐伦说，“这与我们人体的肌肉相似。比如，人在紧张状态下，肌肉会变硬变紧，在放松状态下，肌肉也会很软。海参也是一样。”
基于此，团队提出了磁控的固态和液态相互切换相变材料。这一材料不仅具有固态金属的硬度与承载力，还有液态金属的形变能力。
固态时刚度强 液态时可形变
液态金属一般是低熔点的金属。据蒋乐伦介绍，液态金属在30摄氏度以上是液体，而30摄氏度以下是固体，这与人类生存的温度相符。
为了充分利用液态金属在特定条件下固-液切换的特性，研究团队将磁性颗粒混合融入液态金属——镓中。通过高频的磁场加热这一金属后，该金属会由原先的固态转变为液态。转变为液态后，又可以通过半导体制冷（珀耳帖效应）或者自然冷却来对金属进行降温，从而使之由液态变为固体。
此外，加入磁性颗粒后，施加的外部磁场还可以用来引导液态金属移动和转动，变形等。
据了解，这一磁控的固-液相变材料，在固态时有较高的刚度，而在液态下可以像水一样。“固态时，金属有很强的刚度，能够承担较大的重量，还能够快速运动；而液态的金属可以流动、分裂或融合，具有较强的形态适应性。因此，我们的研究结合了固态与液态情况下金属的优势。”蒋乐伦说。
在研究过程中，从如何让金属快速冷却，到如何使材料具有生物相容性，以此拓展材料的应用场景，团队遇到了很多挑战。“最终通过配方的不断调整、细化，我们实现了较快的冷却，也有望未来在人体中应用。”蒋乐伦说。
修复螺钉与电路 进入人体取异物
据蒋乐伦介绍，磁控固-液相变材料在未来有三个方面的应用。
“一是电子电路的修复。”蒋乐伦说，“在磁场环境下，相变机器人可推动电子元器件到封闭不可操作的空间，通过加热之后由固态变成液态，来焊接这些电子元器件，从而修复电路。”蒋乐伦说。
二是零部件的组装。固态机器人由磁场引导，抵达至损坏的位置，通过交变磁场加热液化变形为万能的螺钉，之后对两个零部件进行固定，完成零部件的组装。
三是生物医学上的应用。“例如，儿童吃了一些异物之后，我们可以通过磁控固液相变材料，液化后抓取，固化后将异物提取出来。”蒋乐伦说，“此外，这种相变材料还可以在固态下封装药物，液化后定点可控释放药物。”
（中山大学供图）
来源: 科技日报 作者: 苏菁菁
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