液態(tài)機器人科幻成真，靈感竟來自海參

出品：科普中國

作者：可可（材料設計師）

(相關資料圖)

電影《終結者2》上映后，其中的頭號反派液態(tài)金屬機器人T1000，給世人留下了非常深刻的印象。在電影中，T1000不僅擁有鋼筋鐵骨，還能隨意改變身體形狀，甚至化為一灘液體后還能重新凝聚成原來的形態(tài)。

如今，這一曾經天馬行空的幻想正在逐步變成現實，來自中山大學、浙江大學以及美國卡耐基梅隆大學的研究小組于1月25日公布了最新的研究成果，他們利用一種叫做磁活性相變物質（MPTM）的材料，制成了可以在固體和液體之間轉換形態(tài)，并可在一定程度上受磁力控制的機器人雛形。

在公開的動畫中，研究團隊用穿越牢籠的橋段致敬了《終結者2》中的名場面，同時向人們展示了MPTM材料的神奇特性，快來看看是怎么回事吧。

終結者2海報

圖片來源：維基百科

為什么材料很難擁有“剛柔并濟”的特點

常識告訴我們，剛性和自如的變形能力無法同時共存。的確，對于現有的材料，二者很難同時具備。比如，金屬一類具有堅硬外觀的材料，往往熔點非常高。在高溫下雖然能夠熔化為自由流動的液態(tài)，但一方面加熱熔化需要耗費相當大的能量和時間，另一方面高溫的熔融金屬也只能待在特制的耐熱坩堝里，除了進行金屬的鑄造，沒有其他的應用價值。

也就是說，傳統材料想要像T1000一樣真正實現“剛柔并濟”，基本不可能。

不過呢，其實目前確實有一些材料，在保有高度柔軟性的同時具有一定程度的剛性。例如D3O這種近年來非常火的材料，雖然外觀看起來像橡皮泥一樣柔軟，可以任意塑造形狀，但在受到瞬間的沖擊時（例如錘擊），又可以變得非常堅硬。

D3O實際上利用了剪切增稠效應，有些流體在受到剪切力（例如錘擊）的時候，粘稠度會忽然增加。好比看起來像是橡皮泥，猛然砸下去反而卻像砸在了一大塊碳纖維上。

D3O制成的防護手套

作者：HecltoTrmel2020

圖片來源：維基百科

自然界中也不乏具有類似特性的物種，例如常見的海洋生物海參，雖然身體柔軟，但實際上海參可以在一定范圍內調節(jié)身體的硬度。其背后的原理是改變組成其身體的原纖維間基質的硬度，從而讓原本柔軟的身軀具備一定的承載能力，防止各種環(huán)境因素對其身體造成傷害。

具有柔軟身體的海參

作者：Fran?ois Michonneau 圖片來源：維基百科

之前的此類材料（當然也包括海參的身體結構），存在一個致命的問題，就是他們無法像鋁合金或者鋼鐵一類的結構材料那樣，可以維持剛性狀態(tài)下的形狀，更無法抵御一般的結構材料所能承受的拉伸、剪切以及扭轉等各種力學載荷。

不過，完成本次研究的團隊卻制成了一種可以很容易轉換剛柔兩種狀態(tài)，還能在剛性狀態(tài)下擁有金屬一般優(yōu)秀機械強度的材料，這就是MPTM。據介紹，MPTM的發(fā)明過程中，來自海參的靈感發(fā)揮了關鍵作用。

MPTM的剛柔轉換機理 圖片來源：參考文獻1

MPTM牛在哪里？

MPTM是一種以金屬鎵和磁性顆粒構成的復合材料。鎵是一種低熔點金屬，它在29.8℃下就可以熔化，所以在正常的室溫（25℃）狀態(tài)下是金屬，但溫度稍微升高（例如在人的手心的溫度下），就會變?yōu)橐后w。

在這種特殊性質的基礎上，科研人員們巧妙地利用了交變磁場對MPTM中磁性顆粒的產熱效應，僅僅依靠控制磁場就能讓MPTM材料的溫度升高到鎵的熔點之上，從而變?yōu)橐簯B(tài)。之后，一旦自然冷卻，MPTM又會變?yōu)樾誀铑愃平饘俚墓腆w。

兩種狀態(tài)下的MPTM示意圖圖片來源：參考文獻1

固體下的MPTM，擁有和鎵金屬類似的機械特性，機械強度能夠達到21MPa，可以承受超過自身重量30倍的物體。雖然跟一般的結構材料相比，還有些脆弱，但作為一般的固體材質已經完全具備了實用意義。最絕的是，由于磁性顆粒的存在，無論是液體狀態(tài)還是固體狀態(tài)下，MPTM都能受到磁場的控制，可以利用磁場來對其進行移動。

在演示視頻中，一個被困在籠子里的MPTM小人經歷一次液化后，從籠子中“逃”了出來，然后又再次恢復到原來的形狀，還上演了一出原地“暴起”，簡直就是T1000本尊。不過，必須要指出的是，實際上在籠子下方是一個小人形狀的模具，液化后的MPTM進入模具，冷卻后重新被鑄造成了小人形狀。即便如此，MPTM仍然達到了前所未有的高度。

動圖1 小機器人的液化“越獄”過程 圖片來源：參考文獻1

動圖2 小機器人冷卻后恢復原形，注意籠子下面的模具 圖片來源：參考文獻1

研究小組同時也提供了一系列潛在的應用場景，例如可以讓MPTM以固態(tài)形式進入身體內部，然后在磁力作用下液化的同時包裹誤吞的異物，再通過磁場控制凝固，并引導攜帶異物的MPTM離開人體。此外，在有限的空間內組裝電路和部件以及流入螺絲孔固定物體等幾個演示也令人印象深刻。

動圖3 MPTM排除身體內異物的演示視頻 圖片來源：參考文獻1

動圖4 MPTM小機器人成功連接電路 圖片來源：參考文獻1

本次中美科學家提出的MPTM材料，在變形、恢復以及受控能力等幾個方面，都取得了液體機器人研究領域的新突破。雖然在精準控制等方面，仍然達不到實用級別，且完全恢復到液化前的形態(tài)也只能依靠小小的“心機”才能實現。但科幻電影中的天馬行空走進現實，仍然是值得我們興奮的，你是否也對此感到期待呢？

參考文獻：

1.Magnetoactive liquid-solid phase transitional matterhttps://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(22)00693-2

2.機器人液化越獄：中國團隊實現終結者幻想，靈感竟來自海參https://m.thepaper.cn/newsDetail_forward_21690166

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