清华大学刘静团队：轻质液态金属，让变形机器人不再科幻
还记得 1991 年的科幻电影《终结者 2》里的 T-1000 机器人吗？它的全身由液态金属构成，能在固、液态之间随意转换，具有强大的变形伪装能力，几乎可以伪装成它碰过的任何人。同时，全身也能变成液态流淌，与地面融合在一起，之后再缓缓浮出地板，成为固体。
T-1000 液态金属机器人
詹姆斯卡梅隆导演的这部电影领先当时电影一个时代，影片中杀伤力极强、无法毁灭的液态金属机器人在当时看来是天马行空。然而，如今可能会得到实现。
近日，来自中科院理化所和清华大学医学院生物医学工程系的刘静教授团队，首次提出轻质液态金属物质这个概念，并研发出系列密度甚至低于水的液态金属复合材料，该项工作发表在期刊《先进功能材料》上。
全新液态金属材料
液态金属，是指常温下呈液态状态、可流动且能导电的金属，因其高导电性和柔韧性，在开发可穿戴设备和软机器人方面十分重要。
在电子领域，液态金属可以作为墨水用于 3D 打印直接生成电子电路；在医学领域，因其与人类有良好的相容性，可以将神经电信号连通，用以修复断裂神经。然而，由于液态金属材料自身的高密度，因此也给制成的器件平添额外重量，造成相应能量消耗，也削弱了使用的灵巧性。
液态金属可以制造水下设备，改造机器人或制造轻巧的外骨骼（来源：MandriaPix）
而刘静团队研发的复合材料（简称 GB-eGaln ）, 是由空心玻璃微珠与液态金属构成，其密度已从镓铟合金最初的幅值 6.2 g/cm3 降低至 0.5g/cm3 以下，使其拥有身轻如燕以至于可漂浮于水面的能力。
由空心玻璃微珠及液态金属制成的轻量化复合材料 GB-eGaln
根据他们的研究，GB-eGaln 具有高粘附力，因此可以成型为薄片。因其良好的延展性，这种材料可轻松塑形为各种平面片状结构器件，也可以很容易的折叠或卷起，独立的两片可以通过按压形成一个整体。利用该性质，人们可以通过类似折纸的方式将其从二维平面结构转而构筑成三维立体结构。
得益于液体金属优良的室温固液相变性质，GB-eGaln 也可通过温度调控，十分轻松地在完全柔软的状态和坚硬的金属物体之间自由切换，这样，即便是薄片也能实现良好的承重性能。
由于水和液态金属对玻璃表面亲和性不同，当接触到水后，GB-eGaln 内部原有的玻璃微珠 - 液态金属连接会被玻璃微珠 - 水连接所替代，从而使其内部结构发生改变，进而引起密度及电学性质的改变。研究人员利用这一特性，为 GB-eGaln 薄片设计了差异性封装结构，因此可通过在未封装部位加入少量的水对其漂浮行为加以调控，可实现漂浮和下沉行为。沉没后的 GB-eGaln ，也可通过烘干处理，重新恢复其原有的漂浮与电学性质，因此实现重复利用。
在研究中，他们还证明了结合磁体的 GB-eGaln 组件可以在外部磁场和包装材料的调节下控制运动，悬浮和下沉，这为开发高级智能水下设备提供了潜在的用途。
一类材料，一个时代
在去年，中科院理化所刘静、饶伟研究员团队还在材料领域的顶刊《材料科学与工程》发表了关于可变形的液态金属纳米材料的综述文章。
一直以来，在生物医学、印刷电子、界面材料和柔性传感器等领域中，降低液态金属液滴的表面张力、增加比表面积及缩小物理尺寸对于液态金属至关重要。而微纳米液态金属可显著改变和提升宏观液体金属的特定物理化学性能，展现出宏观液体金属力所不及的性能。
在增材制造领域，利用直写和微注射等制造方式展示了批量生态液态金属图案的潜在实际应用。但受限于较大的表面张力和易于形成的表面氧化物，宏观液态金属与常用的喷墨式打印工艺难以兼容，因此制造导线宽度仅为几微米甚至更高分辨率柔性电路仍是 “卡脖子” 的难题。然而，引入微纳液态金属液协助精确电路的制造，使高分辨率印刷电子 “触手可及”。
同时得益于尺寸效应，液态金属微纳米颗粒同样在电磁光热等方面也表现出了一些异于宏观液态金属的独特性质，这使其在生物医学、柔性电子、热管理和微型马达等领域发挥了独特作用。
微纳米液态金属材料多领域应用上的优越性
“人类文明的发展史启示我们：一类材料，一个时代”，刘静说，“中国液态金属研究从 2000 年开始至今，已申报 200 余项发明专利，基本覆盖液态金属的众多领域。液态金属作为一类特殊功能材料，有望在电子信息、生物医学、柔性机器人、新计算机等领域带来颠覆性变革，并催生出一系列战略性新兴产业。”
液态金属领域的奇迹
十几年前，刘静和他的团队还在钻研于冷热刀，这把刀可用于对肿瘤病灶实施深度冻结和消融，使病人减少痛苦。同时，冷热刀也可迅速升温到 80 摄氏度，以处理更大范围病灶，实现高效止血。如今冷热刀通过了卫生部门的审核，并进入临床使用阶段。刘静感慨，“用十年磨一剑来形容冷热刀的研制都不够啊。”
除了冷热刀，这 17 年间，刘静还跨界到了液态金属研究领域。
在 2013 年，刘静和团队就首次发现了在电场控制下，液态金属与水的复合体可在各种形态及运动模式之间发生转换的基本现象。之后又在世界上首次发现液态金属在吞食少量铝后，还能自主高速运动且能变形的奇异行为。这一发现轰动全世界。
之后到了 2015 年，由刘静教授带领的清华大学与中国科学院理化技术研究所联合小组，研发出世界首个自主运动的可变形液态金属机器，无需外部电力驱动，柔性极佳，为研发可变形机器人迈出了重要一步。自驱动液态金属机器的问世及其引申出的全新的可变形机器概念，有望变革传统的机器制造理念，提速柔性智能机器的研制进程。
在 2018 年，刘静团队创造出了一种基于液态金属的新型柔性多功能材料，论文刊登在国际学术期刊《材料视野》上。这种材料具有良好的导电性和磁性，内部会产生气体并生成多孔结构。在极端情况下，其梯级可快速膨胀至原来的 7 倍以上，膨胀后的多孔金属甚至可携带重物漂浮在水面上。这对于液态金属领域来说，又一次创造了奇迹。
一代材料，一代装备。中科院刘维民说，“我不敢说液态金属开辟了一个新的时代，但它作为一种新材料，给我们开辟了一个新世界。”
截至目前，该团队做出了 40 余项全新基础科学发现，并在芯片冷却、热量捕获、低成本制氢、桌面电子打印机、3D 打印、神经连接、肿瘤治疗、柔性可变性机器等方面取得了一系列底层技术突破。
刘静：跨界研究液态金属
刘静是中科院理化技术所双聘研究员兼清华大学医学院生物医学系工程系教授，先后入选中科院及清华大学 “百人计划”，长期从事液态金属、生物医学工程与工程热物理等领域的研究工作。
他本科就读于清华大学，学的是燃气轮机，还选修了第二专业应用物理。直博时，他选择了与工程热物理及生物医学有关的研究方向 —— 生物传热学，1996 年获得工学博士学位后留校任教，开始了他的科研生涯，而他与液态金属的 “相遇” 纯属偶然。
2001 年，刘静正努力寻找一种能让计算机芯片快速散热的材料。在多次尝试后，刘静意识到液态金属具有超高的导热性，作为冷却液可将集成电路中的热量快速导出。就此，他开始了在液态金属领域的研究。
十几年的蛰伏，刘静钻研于液态金属领域，发表了 100 多篇论文，几乎每年都有成果产出，他对科研的痴迷，也让他收获了硕果。2014 年，刘静荣获威廉・伯格奖，这是中国科学家首次获得国际传热界最高奖项。威廉・伯格奖每 4 年颁发一次，每次仅有 1 名获奖者。
刘静学术大数据（来源：清华大学AMiner）
参考：
[1] Bo Yuan et al.Lightweight Liquid Metal Entity,Advanced Functional Materials (2020)._http://dx.doi.org/10.1002/adfm.201910709
[2] Mingkuan Zhang et al. Transformable soft liquid metal micro/nanomaterials,Materials Science and Engineering:R:Reports (2019)https://doi.org/10.1016/j.mser.2019.03.001
[3]https://phys.org/news/2020-02-scientists-lightweight-liquid-metal-materials.html
[4]http://www.ecorr.org/dhTJDAOHANG/fhjs/jishuchengguo/2020-02-21/176237.html
[5]http://www.polymer.cn/sci/kjxw15354.html
[6]http://news.tsinghua.edu.cn/publish/thunews/9659/2018/20180122155117924160929/20180122155117924160929.html
[7]https://www.sohu.com/a/221472587806277