液态金属：科学探索的丰富新天地

液态金属蕴藏着极为丰富的物质科学属性，是基础探索与应用研究交相辉映、极具发展前景的科技蓝海（图1.2），涌现了许多科学发现与技术突破。在基础探索方面，近年来学术界在液态金属上的大量科学发现革新了人们对于传统物质的理解；这些发现和认识反过来又促成一系列全新应用技术的创建。迄今，液态金属已在信息（如芯片冷却）、能源、先进制造、生命健康以及柔性智能机器等领域取得大量底层突破，不少进展在世界范围内得到广泛重视和认同，系列成果一经发布，就在业界引发震动，许多研究频繁地被国际上著名的科学杂志、专业网站和新闻媒体报道，如New Scientist、MIT Technology Review、Nature、Nature Materials、Science News、IEEE Spectrum、Phys.org、Chemistry World、National Geographic、News Week、Daily Mail、Reuters、Fox News、CCTV等。

图1.2　液态金属海洋生物造型寓意该领域像大海一样蕴藏着丰富的科学

为帮助读者理解液态金属自身的独特性，以下仅以笔者实验室近十六七年在这一领域的尝试和开展的部分工作为例予以概括介绍，更多基础效应与现象则在本书后续章节陆续展开。这些成果的探索过程表明，对液态金属物质科学属性的充分把握，是创造未来各种应用的基础保障。(www.xing528.com)

液态金属令人颇为惊讶的特性是，在外场调控下会体现出普适变形效应［1］。笔者实验室首次发现，处于溶液中的液态金属，可在电场控制下于不同形态和运动模式之间发生转换，如大尺度变形、自旋、定向运动、融合与分离、射流、逆重力爬行等，这些工作改变了人们对传统材料学、复杂流体、软物质以及刚体机器的固有认识，为变革传统机器乃至研制未来全新概念的高级柔性智能机器奠定了理论与技术基础，研究在世界范围引起重要反响和热议，被认为是观念性突破和重大发现，“预示着柔性机器人新时代”。进一步，我们还发现了电学与化学协同调控下的液态金属可逆变形机制［2］，电磁耦合诱发的液态金属褶皱波效应［3］，金属液滴融合触发的动态液体弹簧与弹射效应［4］，以及由机械注射产生的液态金属自剪切现象［5］等。这些工作促使研究者进一步思考，能否将驱动液态金属运动的外场去除，实现液态金属的完全独立运动，这为后来的发现证实。

在自驱动可变形液态金属机器效应的问题上，笔者实验室于世界首次揭开了一大类异常独特的现象和机制［6，7］，即处于溶液中的液态金属可在“吞食”其他金属（如铝）后以可变形机器形态长时间高速运动，实现无需外部电力的自主运动，这为研制智能马达、血管机器人、流体泵送系统、柔性执行器乃至更为复杂的液态金属机器人奠定了理论和技术基础，也为制造人工生命打开了全新视野，对于发展超越传统的柔性电源和动力系统也具有较大价值。在此基础上取得的发现还包括：采用注射方式快速规模化制造液态金属微型马达，其呈宏观布朗运动形式［8］，受电场作用时会出现强烈加速效应［9］；外界磁场对液态金属马达起到磁阱效应作用［10］；液态金属马达之间体现出极为丰富的碰撞、吸引、融合、反弹等行为和现象，借助这些机制，可引申出液态金属过渡态机器形式［11］。

无疑，液态金属在制造柔性机器的道路上，还需借助更多其他材料特别是固体材料来构建相应功能系统。在液态金属固液组合机器效应方面，笔者实验室首次发现液态金属固液组合机器的自激振荡效应［12］，观察到十分独特的现象，即经处理的铜丝触及含铝液态金属时，会被其迅速吞入并在液态金属基座上做长时间往复运动，其振荡频率和幅度可通过不锈钢丝触碰液态金属来加以灵活调控。这一突破性发现革新了传统的界面科学知识，也为柔性复合机器的研制打开了新思路，还可用作流体、电学、机械、光学系统的控制开关。笔者实验室发现的其他固液组合机器效应还包括：金属颗粒触发型液态金属跳跃现象［13］，以及可实现运动起停、转向和加速的磁性固液组合机器［14］；采用电控，实现“液态金属车轮”的可变形旋转，还可驱动3D打印的微型车辆［15］实现行进、加速及更多复杂运动，美国Chemistry World杂志为此撰文《小机器，大进展》。此前，液态金属机器均以纯液态方式出现，固液组合机器效应的发现和技术突破，使得液态金属机器有了功能性内外骨骼，将提速柔性机器的研制进程。

以上液态金属展示出的丰富物质属性，彰显了这一领域的科学魅力。事实上，液态金属在大量应用领域的引入，打破了不少传统技术面临的关键瓶颈，促成了系列颠覆性技术的创建。