出品："格致論道講壇"公眾號（ID：SELFtalks）
以下內容為 中國科學院理化技術研究所研究員饒偉演講實錄：
今天非常榮幸可以跟大家一起分享液態金屬的前世和今生。 說到液態金屬，很多人都會想到一部電影 ——《終結者2》。這部電影構築了一個液態金屬機器人的形象。
《終結者2》液態金屬機器人：科幻與現實？
這樣的一個機器人可以在固體和液體之間自由轉換，可以穿牆破壁，甚至可以自由塑形，可以奔跑，在受到槍擊之後也可以很神奇地進行自我修複。這樣一個無所不能的機器人形象給我們帶來了無數的遐想。
科幻電影製作中充滿了想象，但是很多的科幻都是有著它的現實和科學基礎的。
構建液態金屬機器人，其中最為關鍵的就是室溫液態金屬材料。
室溫液態金屬材料
什麽是室溫液態金屬材料呢？
從字面上理解，它要在室溫下兼具流體和金屬兩種材料的特性。可以實現肆意的流動，同時還可以有不同的形狀。
室溫液態金屬
常見的室溫液態金屬有下面幾種類型。
一種是金屬汞。生活中常用的水銀溫度計當中用到的材料就是汞，但是汞有毒，並且很容易揮發，現在已經被國家全面禁用了。 第二類就是鈉鉀合金。我博士期間主要的研究對象就是鈉鉀合金。一般做實驗的時候肯定要把滅火器放在旁邊隨時備用，因為鈉鉀合金的化學性質太活潑了，遇到水之後非常容易產生燃燒，甚至是爆炸。
再有一類液態金屬是金屬銫及銫的同位素。銫的同位素具有很強的放射性。 所以，從安全性的角度來說，這三類材料都不太適合在日常生活當中對它進行操控和利用。 有沒有一類室溫液態金屬沒有毒，不揮發，同時化學性質也沒有那麽活潑，而且沒有放射性？
還真有，就是镓以及它的二元、三元以及多元的合金。 镓的合金的發現其實也有很長的歷史了，我們可以利用它高導熱的特點，把高密度熱流所產生的熱從一個地方轉移到另外一個地方實現有效的散熱。
2002年，我們團隊在國際上首次提出了基於室溫液態金屬的芯片冷卻技術。經過十幾年的發展，目前液態金屬散熱在芯片散熱，LED燈，雷射器等領域都開始發揮它相應的作用。
近期我們也運用液態金屬散熱系統給無人機定製了一個特殊的散熱系統。
這樣的無人機由於它加載了高功率密度的雷射器，所以對散熱的要求是非常高的。液態金屬散熱以及相應的熱界面材料可以很好解決它的散熱問題。 如果只是把液態金屬運用到散熱，今天的故事就可以結束了。但是，大家想聽的液態金屬機器人的故事還沒開始呢。
開啟液態金屬機器人的大門
對於科學工作者來說，要想實現從液態金屬散熱到液態金屬機器人也是一個逐步探索的過程。在很長的時間裡並沒有一個很好的解決辦法。 在一個很偶然的實驗中，我們把液態金屬、電解質、電極這三個基本的要素結合在一起。
當時在做一個利用液態金屬修複神經的工作，當把這三個要素結合在一起的時候，我們發現液態金屬可以在電極的引導下實現一個定向的運動。
這樣的一個很神奇的發現，可以說開啟了液態金屬機器人新世界的大門。
把這三個要素從機體轉移到一個開放的玻璃器皿當中，又可以看到這樣一個液態金屬二維的薄膜，它可以在很短的時間之內，縮為一個三維的液態金屬液滴，實現一個比表面積1000倍範圍的一個變化。
大尺度變形：不同構象之間轉換
更進一步，我們希望這是可逆的，它的變形能否實現呢？答案是肯定的。
通過添加和去除液態金屬液滴表面的氧化層，在電場和化學場的協同作用下就可以實現可逆變形。
可逆變形：電化學協同控制
除了變形之外，液態金屬可以實現一個定向運動，在電場的引導下，它可以從空間的一端穿過比自身直徑小十幾倍的狹小的隙縫，運動到空間的另外一端。
變形+運動
遇到斜坡的時候它也可以很努力地像毛毛蟲一樣實現一個逆重力攀爬的結果。
電控逆重力攀爬
在這樣的實驗中實現了自由塑形的效應，通過調控它的機理，可以輕鬆得到液態金屬線，三角形的液態金屬，以及正方形的液態金屬等等，當然更多複雜的形狀也可以很輕鬆地得到。
自由塑形 剛剛展示的都是液態金屬在電場調控下的一系列行為。其他的外場有沒有可能對液態金屬產生影響呢？答案也是肯定的。 下圖展示的就是液態金屬在磁場的調控下合並並且逆重力攀爬的過程。
磁控：變形+運動
液態金屬磁性材料不但可以進行變形，還可以進行磁性的重構，實現了柔性順磁性材料的很多新運用。
除了磁場之外，熱場也可以對液態金屬產生一定的調控，下面幾張圖展示了利用外雷射對液態金屬複合材料進行自主調控的過程。
熱控：變形+運動
複合材料構築了這樣一個“章魚”，雷射器指哪兒它就打哪兒，甚至在溫度高的時候還可以流出幾滴章魚的眼淚，此外它還可以像毛毛蟲一樣進行伸縮前進。
熱控：變形+運動
液態金屬機器人研究的分水嶺和進展
再往前我們希望能夠構築更加複雜，甚至更加智能化的液態金屬機器人。
提到智能化，有一類機器人就是類生物體的機器人，它最基本的特徵就是可以在沒有任何外場的驅動下實現自主運動。液態金屬機器人可不可以實現呢？
說到這兒，不得不提到我們又一個偶然的實驗發現。當時在實驗當中，我們的同學希望找到一個東西撥動液態金屬液滴，當時手邊並沒有什麽工具，所以她隨手撕了一張鋁箔，撥動了這個液滴。
自驅動液態金屬機器人
沒想到這個液滴吃下了鋁箔，同時在電解質溶液當中實現了沒有外場驅動的自主旋轉長達一個多小時。在各種形狀的溝槽當中，它也可以進行運動。
這樣的發現可以說是劃分液態金屬機器人研究分水嶺的事件，當時也引起了非常大的影響，世界上主要的相關媒體都對這個現象做了相應的報導，這也入選了當年的兩院院士評選的十大新聞進展之一。 再往前進化，類生物體的機器人還有一個很卓越的特徵：它一般是固液組合式的，就像人一般是由堅硬的骨骼和柔軟的肌肉所組成。液態金屬機器人有沒有可能實現自驅動固液組合機器呢？
說到這兒又不得不提到我們另外一個偶然的發現。在自驅動機器人發現的過程當中，我們的同學用到了鋁箔。在組合機器的實驗中，我們也想找到一個東西把液態金屬液滴挪到一個合適的位置。 這次我們的同學找到了一個比較靠譜的東西，就是銅絲，當把這個銅絲插入到液態金屬液滴之後，液滴很迅速地把銅絲給吃了進去，它可以自激振蕩，同時我們還可以對振幅和頻率進行調控。
自驅動固液組合機器：自激振蕩效應
生命最基本的特徵是具有節律性和周期性，現在液態金屬的類生物體機器人也可以具有這樣的特性。所以這個效應讓我們對液態金屬機器人有了更多的思考。 類生物體機器人還有一個基本的效應就是胞吞效應，液態金屬機器人可不可以實現這樣的一個功能呢？
類生物體特徵：胞吞效應
通過上面的動圖可以看到，液態金屬可以很輕鬆地把表面附著的一層銅顆粒吞入體內，實現胞吞效應。
說到類生物，我們知道自然界還有一類很神奇的生物體，可以通過變色，把自己和周圍的環境偽裝成一體，然後進行隱身。
液態金屬一直是以銀白色的金屬光澤來示人的，它有沒有可能變成各種各樣的顏色呢？
說到這兒，又不得不提到另外一個偶然的事件，當時我們要拍一個科普視頻，所以就想重複一下液態金屬變形的實驗，我就安排了我的學生來重複這個實驗。
在他重複這個實驗的過程當中，可能是經驗不足，在液態金屬液滴當中多加了一些鋁。
這使液態金屬在變形的同時還實現了一個變色的效果，從淡黃到棕色，然後再到更深的顏色，這個現象帶給我們非常大的驚喜。
類生物體特徵:基於結構色的變色效應
為什麽會有這樣一個變色的現象呢？
進一步的實驗發現，它的變色其實跟它的氧化層的厚度有非常緊密的關係，氧化層改變了光路的影響。
類生物體特徵:基於結構色的變色效應
掌握了這樣的基本原理之後，我們就對它的氧化層厚度進行了精密的調控。它可以變成黃色的液態金屬、黑色的液態金屬，甚至是五顏六色、彩虹色的液態金屬。
通過以上的介紹，大家可以發現目前液態金屬可以在各種外場，電、磁，甚至是聲、光、熱、化學等場的控制下實現各種各樣的功能。進化到現在，它也能跑會跳，能走會吃。
生命體的進化是一個非常有意思的過程，人類的產生也是從單細胞到多細胞，從水生動物再到陸生動物。
目前人類的進化經歷了五億多年的光景。液態金屬機器人從最早的電控機器人的產生，到目前也只不過短短五年的光景。在未來有沒有可能會產生突破碳基生命的液態金屬生命，像《終結者2》當中的液態金屬機器人一樣，可以自我變形，自我修複，具有思維，具有運動能力等等？我們認為還是有這種可能性的。
在我們團隊發表液態金屬機器人相關的研究之前，國際上進行液態金屬研究的團隊可以說是屈指可數。
現在很多不同學科的研究者都湧入到液態金屬研究領域，相信這種多學科的交叉肯定會賦予液態金屬機器人更多新的生命。
液態金屬的神奇應用
液態金屬機器人確實非常神奇，在我們的實際生活當中，除了散熱，液態金屬還可以有哪些神奇的應用呢？說到這兒我又不得不再次重提一下偶然事件。
我們在做實驗的過程當中，很多次無意中把液態金屬液滴滴落在桌面上，或者是采集數據的電腦螢幕上。我們習慣性的動作就是去輕輕塗抹這一滴金屬，隨著塗抹，很多情況下會得到一條連續的金屬線。
所以，我們就想能不能用它來製作電子電路呢？傳統電子電路的製作是非常繁瑣的，需要刻蝕，還需要很多複雜儀器的幫助。而液態金屬電子電路的製作過程是非常簡單的。
打破製造的不平等：通向普適製造的液態金屬印刷電子學
像上面視頻當中所展示的這樣，它可以直接把液態金屬墨水列印在機底上面，一步成形，不需要任何外部的輔助。
下面這些動態圖展示了液態金屬印刷電子在方方面面的應用。它可以在智能空間，人機互動，柔性的電子屏，即學即用的教育學領域，甚至是在未來的物聯網領域發揮神奇的作用。
液態金屬印刷電子在方方面面的應用
此外，我們可以把很多經典的世界名畫，很多古典的藝術作品，通過液態金屬列印印刷在機底上。同時，由於液態金屬列印導電的特性，還可以賦予這些藝術作品一個光和影融合的效果。
科學與藝術的融合
還可以把液態金屬列印在織物上，利用液態金屬的光影效果和服裝本身的設計，達到一個特別美好的呈現。
科學與時尚的融合
除此之外，液態金屬還可以跟服裝進行有機結合。把液態金屬的柔性電路和充滿時尚感的服裝進行有機融合，液態金屬可以充當服裝當中電路的一個連接的橋梁，製造一個非常好的光效，相當於把一片星空穿在了自己的身上。 最後，還有幾句想跟大家一起分享的話。如果大家問我有沒有一種材料可以滿足我們所有的想象？我的答案一定是液態金屬。在我們發現液態金屬很多神奇效應的背後，充滿了各種各樣的偶然性。但是，偶然性和必然性是相互關聯的。正是由於團隊長期對液態金屬工作的堅持，長期對它背後基礎科學的積累才有了很多意外的收獲。 不同於其他材料技術,很多是由國外先發現，然後我們再進行相應的跟蹤模仿，二次創新，甚至是超越。而液態金屬相關的材料以及它的技術是發源於中國，壯大於中國的。
人們以石器時代、青銅器時代、鐵器時代、新材料時代來刻畫歷史文明的發展，可以看出材料、工業經濟和人類文明的發展是息息相關的。
隨著更多液態金屬材料的發現，我們相信人類在未來也很有可能會進入液態金屬時代，利用液態金屬改變人們的認知，改變我們的科學理念，改變我們的技術水準，進而改變我們人類的物質文明。
“格致論道”，原稱“SELF格致論道”，是中國科學院全力推出的科學文化講壇，由中國科學院計算機網絡信息中心和中國科學院科學傳播局聯合主辦，中國科普博覽承辦。致力於非凡思想的跨界傳播，旨在以“格物致知”的精神探討科技、教育、生活、未來的發展。獲取更多信息。本文出品自“格致論道講壇”公眾號（SELFtalks），轉載請注明公眾號出處，未經授權不得轉載。
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