中国科学家取得突破!让金属有了“记忆”,液态机器人成为可能

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如果你看过施瓦辛格主演的科幻《终结者2》的话,应该对其中的反派有很深的印象。在这部电影里,这个反派简直开了挂,即使融化还能复活。你可能以为这种事只能停留在科幻电影里,但是最近,这样的金属,真的被造出来了……


  想象一下,如果你面前有一块金属,因为受到冲击而变形。但你只需要给它升点温(甚至都不到100摄氏度),就能让它自动恢复形状,是不是有点神奇。


  如果有这种技术,未来我们或许真的可以像电影《终结者2》一样制造出液体金属机器人。这样的机器人,即使遭受到某种打击后变了形,但只要给它加温,就可以自动修复,继续工作。


  你可能以为我是在扯淡,但是我告诉你,这样的金属真的存在。


  最近,纽约州立大学宾汉姆顿分校机械工程助理教授、来自中国的Pu Zhang所带领的科研团队,成功实现了科幻电影里的情节,并将自己的研究成果发表在了《Additive Manufacturing》杂志上。2011年,他从湖南大学毕业,并于次年进入匹兹堡大学攻读博士学位,那个时候他就开始了对金属晶格的研究。


  他的这项研究,基于一种叫做菲尔德金属的合金。


  菲尔德金属(Field's metal),是以其发明者西蒙·库伦·菲尔德(Simon Quellen Field)的名字命名的。这是一种合金,由32.5%的铋、51%的铟以及16.5%的锡组成。这种合金的熔点很低,在62摄氏度的温度下就会融化。


  研究人员正是通过将Field合金包裹在由橡胶状弹性体制成的晶格或外壳中的方法,实现了科幻电影里才会出现的功能,他称之为"世界上第一种液态金属晶格"。


  为了制造这样的外壳,Zhang等人用了3D打印、真空铸造等复杂的工艺,并且涂上了敷形覆膜以防止内部产品受潮、粘上灰尘或者化学物质。


  这种金属晶格还有一个特点,那就是加热之后会变形。当然,这没什么特殊的,不过,当它再一次进行加热的时候,竟然可以恢复原来的形状。虽然把它形容为《终结者2》里的那种液体机器人有点夸张,但是功能上比较类似。


  "我们花了半年多的时间来开发这种制造工艺,因为这种新型晶格材料的加工难度很大。"Pu Zhang说,"你需要找到最完美的材料和加工参数。如果没有外壳,它就不能发挥作用,因为液态金属会流走。外壳骨架决定了整体的形状和完整性,所以液态金属可以被限制在通道中。"




  换句话说,这项新技术的核心,就在于外面的这一层保护壳。当温度到达62摄氏度的时候,内部的菲尔德金属会融化,而外壳则可以将金属束缚住,防止液态金属流走。不过,外壳是可以变形的,它可以根据需求变化成需要的形状。当然了,即使没有菲尔德金属,外壳也可以变化形状,但是外壳需要借助菲尔德金属的优良性质。




  可以说,Zhang的团队这一次是利用精妙的手段实现了强强联合、“双剑合璧”,取两家之长,造就了这样一种全新的金属晶格。


  为了验证这个金属晶格的性质,他们用它做了许多的模型,如足球、英文字母、网状造型、蜘蛛网等等。他们先将金属晶格加热,然后趁热改变形状,将其冷却。当他们再一次加热的时候,金属晶格内的菲尔德金属就会再次融化,而外壳则恢复到了最初的形状。


  在所有这些模型中,形状恢复程度最好的,就是他们制作的一个手状模型。当它被再次加热的时候,以极高的精度恢复成原形。


  这一项技术目前还在完善的过程中,但是一旦实现使用,其应用前景非常广泛,尤其是在航空航天、核工业等这些前沿领域,都可以让它大显神威。


  "如果航天器在月球或火星上着陆时受到某种撞击,可能会发生坠毁。"Zhang说,"因为目前来说,工程师们普遍用铝或钢来制作缓冲结构。但是,当你在月球上着陆时,金属会吸收能量并变形,于是它就报废了,你只能使用一次。不过,如果你使用的是这种菲尔德金属,它可以像其他金属一样被冲击,但是只要加热就能恢复形状,你可以反复地使用它。”


  另外,它也不一定非要面临冲击才能发挥作用。很多太空探测器(如詹姆斯·韦伯太空望远镜、太阳帆)由于体型较大,都不得不折叠起来才能放进火箭舱位中,然后在太空中展开。这种展开工作需要很精密的设备调试,但如果这项新的研究成果能够发展成熟,那么将可以大大降低探测器展开的难度,节省火箭的空间。


  由于熔点比很多金属要低,因此菲尔德金属得到了很广泛的应用,如核冷却剂。在聚合物外壳的帮助下,它可以很好地记忆自己最初的形状,更好地为核领域服务。


  当然,除了上面举的例子之外,任何需要需要承受高压力却又不得不恢复原形的领域,它都可以发挥自己的作用。这样的领域其实是很多的,可以想象它未来不仅会在高精尖领域大显身手,也会走到千家万户,大显神威。


  而该研究团队的初衷,就是制造出液态金属机器人,在未来的世界更好地服务于人类。说到这里,我们就又回到了开头——《终结者2》中的反派机器人。虽然他的狰狞面目非常可怕,但是如果能够坚持为人类服务,那么这项技术还是非常有帮助的。


  有趣的是,虽然我们一再联想到这部电影,但领导这次研究的Zhang告诉我们:"说实话,我从来没有看过那部电影!"

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