液態(tài)機(jī)器人科幻成真，靈感竟來(lái)自海參

出品：科普中國(guó)

作者：可可（材料設(shè)計(jì)師）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

電影《終結(jié)者2》上映后，其中的頭號(hào)反派液態(tài)金屬機(jī)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(lái)的形態(tài)。

如今，這一曾經(jīng)天馬行空的幻想正在逐步變成現(xiàn)實(shí)，來(lái)自中山大學(xué)、浙江大學(xué)以及美國(guó)卡耐基梅隆大學(xué)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(zhì)（MPTM）的材料，制成了可以在固體和液體之間轉(zhuǎn)換形態(tài)，并可在一定程度上受磁力控制的機(jī)器人雛形。

在公開的動(dòng)畫中，研究團(tuán)隊(duì)用穿越牢籠的橋段致敬了《終結(jié)者2》中的名場(chǎng)面，同時(shí)向人們展示了MPTM材料的神奇特性，快來(lái)看看是怎么回事吧。

終結(jié)者2海報(bào)

圖片來(lái)源：維基百科

為什么材料很難擁有“剛?cè)岵?jì)”的特點(diǎn)

常識(shí)告訴我們，剛性和自如的變形能力無(wú)法同時(shí)共存。的確，對(duì)于現(xiàn)有的材料，二者很難同時(shí)具備。比如，金屬一類具有堅(jiān)硬外觀的材料，往往熔點(diǎn)非常高。在高溫下雖然能夠熔化為自由流動(dòng)的液態(tài)，但一方面加熱熔化需要耗費(fèi)相當(dāng)大的能量和時(shí)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(jìn)行金屬的鑄造，沒有其他的應(yīng)用價(jià)值。

也就是說(shuō)，傳統(tǒng)材料想要像T1000一樣真正實(shí)現(xiàn)“剛?cè)岵?jì)”，基本不可能。

不過(guò)呢，其實(shí)目前確實(shí)有一些材料，在保有高度柔軟性的同時(shí)具有一定程度的剛性。例如D3O這種近年來(lái)非常火的材料，雖然外觀看起來(lái)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(shí)（例如錘擊），又可以變得非常堅(jiān)硬。

D3O實(shí)際上利用了剪切增稠效應(yīng)，有些流體在受到剪切力（例如錘擊）的時(shí)候，粘稠度會(huì)忽然增加。好比看起來(lái)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(hù)手套

作者：HecltoTrmel2020

圖片來(lái)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(shí)際上海參可以在一定范圍內(nèi)調(diào)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(zhì)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(duì)其身體造成傷害。

具有柔軟身體的海參

作者：Fran?ois Michonneau 圖片來(lái)源：維基百科

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

不過(guò)，完成本次研究的團(tuán)隊(duì)卻制成了一種可以很容易轉(zhuǎn)換剛?cè)醿煞N狀態(tài)，還能在剛性狀態(tài)下?lián)碛薪饘僖话銉?yōu)秀機(jī)械強(qiáng)度的材料，這就是MPTM。據(jù)介紹，MPTM的發(fā)明過(guò)程中，來(lái)自海參的靈感發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

MPTM的剛?cè)徂D(zhuǎn)換機(jī)理 圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)1

MPTM牛在哪里？

MPTM是一種以金屬鎵和磁性顆粒構(gòu)成的復(fù)合材料。鎵是一種低熔點(diǎn)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(huì)變?yōu)橐后w。

在這種特殊性質(zhì)的基礎(chǔ)上，科研人員們巧妙地利用了交變磁場(chǎng)對(duì)MPTM中磁性顆粒的產(chǎn)熱效應(yīng)，僅僅依靠控制磁場(chǎng)就能讓MPTM材料的溫度升高到鎵的熔點(diǎn)之上，從而變?yōu)橐簯B(tài)。之后，一旦自然冷卻，MPTM又會(huì)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(lái)源：參考文獻(xiàn)1

固體下的MPTM，擁有和鎵金屬類似的機(jī)械特性，機(jī)械強(qiáng)度能夠達(dá)到21MPa，可以承受超過(guò)自身重量30倍的物體。雖然跟一般的結(jié)構(gòu)材料相比，還有些脆弱，但作為一般的固體材質(zhì)已經(jīng)完全具備了實(shí)用意義。最絕的是，由于磁性顆粒的存在，無(wú)論是液體狀態(tài)還是固體狀態(tài)下，MPTM都能受到磁場(chǎng)的控制，可以利用磁場(chǎng)來(lái)對(duì)其進(jìn)行移動(dòng)。

在演示視頻中，一個(gè)被困在籠子里的MPTM小人經(jīng)歷一次液化后，從籠子中“逃”了出來(lái)，然后又再次恢復(fù)到原來(lái)的形狀，還上演了一出原地“暴起”，簡(jiǎn)直就是T1000本尊。不過(guò)，必須要指出的是，實(shí)際上在籠子下方是一個(gè)小人形狀的模具，液化后的MPTM進(jìn)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(dá)到了前所未有的高度。

動(dòng)圖1 小機(jī)器人的液化“越獄”過(guò)程 圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)1

動(dòng)圖2 小機(jī)器人冷卻后恢復(fù)原形，注意籠子下面的模具 圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)1

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

動(dòng)圖3 MPTM排除身體內(nèi)異物的演示視頻 圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)1

動(dòng)圖4 MPTM小機(jī)器人成功連接電路 圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)1

本次中美科學(xué)家提出的MPTM材料，在變形、恢復(fù)以及受控能力等幾個(gè)方面，都取得了液體機(jī)器人研究領(lǐng)域的新突破。雖然在精準(zhǔn)控制等方面，仍然達(dá)不到實(shí)用級(jí)別，且完全恢復(fù)到液化前的形態(tài)也只能依靠小小的“心機(jī)”才能實(shí)現(xiàn)。但科幻電影中的天馬行空走進(jìn)現(xiàn)實(shí)，仍然是值得我們興奮的，你是否也對(duì)此感到期待呢？

編輯：孫晨宇

參考文獻(xiàn)：

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

2.機(jī)器人液化越獄：中國(guó)團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)終結(jié)者幻想，靈感竟來(lái)自海參
https://m.thepaper.cn/newsDetail_forward_21690166