小機器人從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，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(jié)者》中的情節(jié)，出現(xiàn)在中美科學家聯(lián)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(shù)與生物醫(yī)療儀器重點實驗室、浙江大學流體動力與機電系統(tǒng)國家重點實驗室和卡內(nèi)基梅隆大學軟體機器人實驗室合作完成。相關(guān)研究論文日前發(fā)表于國際期刊《物質(zhì)》。

固液氣狀態(tài)“切換自如”

(相關(guān)資料圖)

相變，指物質(zhì)從一種狀態(tài)到另一種狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。相變材料則指可以發(fā)生固液氣三種狀態(tài)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(fā)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(yīng)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(jié)構(gòu)緊湊，相變過程中自身溫度基本不變，易于管理等特性。其應(yīng)用場景包括太陽能儲能系統(tǒng)、空調(diào)儲冷系統(tǒng)等。”蔣樂倫說。

相變材料的另一應(yīng)用是傳熱。“熱管可以利用內(nèi)部工質(zhì)，如水、酒精等，實現(xiàn)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(jīng)廣泛應(yīng)用于筆記本CPU散熱，高功率電子元器件散熱等領(lǐng)域。”蔣樂倫說。

固態(tài)剛度強，液態(tài)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(jié)者》與動物海參。”蔣樂倫說，“《終結(jié)者》中的液態(tài)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(tài)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(zhì)的硬度，來改變體壁外形。”

磁控固—液相變材料是在液態(tài)金屬的基礎(chǔ)上制造的。據(jù)蔣樂倫介紹，液態(tài)金屬通常可以在較低環(huán)境溫度下實現(xiàn)固態(tài)和液態(tài)之間的切換，是一種無機相變材料。

為了充分利用液態(tài)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(tài)金屬——鎵中。通過高頻的磁場加熱，該液態(tài)金屬會由原先的固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)。在其轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)后，研究團隊可以通過半導體制冷（珀耳帖效應(yīng)）或者自然冷卻對其進行降溫，從而使之由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)。

“通過外磁場，我們可以對磁控液態(tài)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(diào)節(jié)相變溫度。”蔣樂倫說。據(jù)了解，這一磁控固—液相變材料，在固態(tài)時有較高的剛度，而在液態(tài)下可以像水一樣，融合了固態(tài)與液態(tài)金屬的優(yōu)勢。

在研究過程中，從如何讓液態(tài)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(zhàn)。“最終通過配方的不斷調(diào)整、細化，我們實現(xiàn)了材料的較快冷卻，未來也有望在人體中應(yīng)用。”蔣樂倫說。

有望在工業(yè)上得到應(yīng)用

蔣樂倫介紹，磁控固—液相變材料在未來有3個方面的應(yīng)用。

一是電子電路的修復。“在磁場環(huán)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(tài)變成液態(tài)，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(yī)學上的應(yīng)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(tài)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(tài)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(shù)成熟度較高，有望在工業(yè)上得到快速應(yīng)用。但在生物醫(yī)學領(lǐng)域，如人體內(nèi)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(jié)合圖像導航技術(shù)，實現(xiàn)磁控固—液相變機器人及其集群在體內(nèi)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。

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