小機器人從固態變為液態，在磁場的引導下穿過“牢籠”，并通過放置在欄桿外的模具重新凝固，成功“越獄”。
這種科幻電影《終結者》中的情節，出現在中美科學家聯合提出的“磁控固—液相變材料”的實驗中。該研究由中山大學廣東省傳感技術與生物醫療儀器重點實驗室、浙江大學流體動力與機電系統國家重點實驗室和卡內基梅隆大學軟體機器人實驗室合作完成。相關研究論文日前發表于國際期刊《物質》。
固液氣狀態“切換自如”
相變，指物質從一種狀態到另一種狀態的轉變。相變材料則指可以發生固液氣三種狀態切換的材料。
論文通訊作者之一，中山大學教授蔣樂倫告訴科技日報記者，相變材料按照化學組分，可以分為使用金屬合金、無機鹽等無機物的無機相變材料，使用石蠟、多元醇等有機物的有機相變材料和復合相變材料。
由于相變材料在發生相變時，會吸收或者釋放大量能量，因此相變材料的典型應用是儲能。
“相變材料主要利用潛熱儲能，具有儲熱密度大，蓄熱裝置結構緊湊，相變過程中自身溫度基本不變，易于管理等特性。其應用場景包括太陽能儲能系統、空調儲冷系統等。”蔣樂倫說。
相變材料的另一應用是傳熱。“熱管可以利用內部工質，如水、酒精等，實現從液到氣之間的可逆相變。在此過程中，熱管會吸收和釋放大量的熱量，成為高效傳熱的元件。目前，熱管已經廣泛應用于筆記本CPU散熱，高功率電子元器件散熱等領域。”蔣樂倫說。
固態剛度強，液態可形變
“我們提出磁控固—液相變材料，主要的靈感來源是電影《終結者》與動物海參。”蔣樂倫說，“《終結者》中的液態金屬機器人的手，可以在固液切換后，變成一把刀。同時，機器人還可以變成液態后越獄。海參也非常有趣，可以通過改變富含蛋白的原纖維間基質的硬度，來改變體壁外形。”
磁控固—液相變材料是在液態金屬的基礎上制造的。據蔣樂倫介紹，液態金屬通常可以在較低環境溫度下實現固態和液態之間的切換，是一種無機相變材料。
為了充分利用液態金屬在特定條件下固—液切換的特性，研究團隊將磁性顆粒，如釹鐵硼、Fe_3O_4等混合融入液態金屬——鎵中。通過高頻的磁場加熱，該液態金屬會由原先的固態轉變為液態。在其轉變為液態后，研究團隊可以通過半導體制冷(珀耳帖效應)或者自然冷卻對其進行降溫，從而使之由液態變為固態。
“通過外磁場，我們可以對磁控液態金屬固—液相變材料的運動、變形、分裂、愈合等進行復雜的操控。此外，該相變材料還具有高導熱、導電的特性，還能通過合金化調節相變溫度。”蔣樂倫說。據了解，這一磁控固—液相變材料，在固態時有較高的剛度，而在液態下可以像水一樣，融合了固態與液態金屬的優勢。
在研究過程中，從如何讓液態金屬快速冷卻，到如何使材料具有生物相容性，團隊遇到了很多挑戰。“最終通過配方的不斷調整、細化，我們實現了材料的較快冷卻，未來也有望在人體中應用。”蔣樂倫說。
有望在工業上得到應用
蔣樂倫介紹，磁控固—液相變材料在未來有3個方面的應用。
一是電子電路的修復。“在磁場環境下，由磁控固—液相變材料制成的機器人可推動電子元器件到封閉不可操作的空間，通過加熱之后機器人由固態變成液態，以焊接這些電子元器件，從而修復電路。”蔣樂倫說。
二是零部件的組裝。由磁控固—液相變材料制成的機器人，在磁場的引導下，抵達損壞的位置，通過交變磁場加熱液化變形為萬能螺釘，之后對兩個零部件進行固定，完成損壞處零部件的組裝。
三是生物醫學上的應用。“例如，兒童誤吞一些異物后，我們可以通過磁控固—液相變材料，液化后包裹異物，固化后再將異物取出。”蔣樂倫說，“此外，這種相變材料還可以在固態下封裝藥物，液化后定點可控釋放藥物。”
蔣樂倫告訴記者，磁控液態金屬固—液相變材料在電子電路的修復和零部件的組裝上，技術成熟度較高，有望在工業上得到快速應用。但在生物醫學領域，如人體內異物提取和可控釋藥等方面還不成熟，特別是生物相容性和安全性還有待進一步驗證。
“未來幾年，在磁控固—液相變材料方面，我們會進一步開展安全性試驗，同時還會結合圖像導航技術，實現磁控固—液相變機器人及其集群在體內的可控、可視操控和釋藥，讓研究成果進一步走向臨床。”蔣樂倫說。
