全球最资讯丨液态机器人科幻成真，灵感竟来自海参

2023-03-21 12:08:50 来源：科普中国

出品：科普中国

(相关资料图)

作者：可可（材料设计师）

监制：中国科普博览

电影《终结者2》上映后，其中的头号反派液态金属机器人T1000，给世人留下了非常深刻的印象。在电影中，T1000不仅拥有钢筋铁骨，还能随意改变身体形状，甚至化为一滩液体后还能重新凝聚成原来的形态。

如今，这一曾经天马行空的幻想正在逐步变成现实，来自中山大学、浙江大学以及美国卡耐基梅隆大学的研究小组于1月25日公布了最新的研究成果，他们利用一种叫做磁活性相变物质（MPTM）的材料，制成了可以在固体和液体之间转换形态，并可在一定程度上受磁力控制的机器人雏形。

在公开的动画中，研究团队用穿越牢笼的桥段致敬了《终结者2》中的名场面，同时向人们展示了MPTM材料的神奇特性，快来看看是怎么回事吧。

终结者2海报

图片来源：维基百科

为什么材料很难拥有“刚柔并济”的特点

常识告诉我们，刚性和自如的变形能力无法同时共存。的确，对于现有的材料，二者很难同时具备。比如，金属一类具有坚硬外观的材料，往往熔点非常高。在高温下虽然能够熔化为自由流动的液态，但一方面加热熔化需要耗费相当大的能量和时间，另一方面高温的熔融金属也只能待在特制的耐热坩埚里，除了进行金属的铸造，没有其他的应用价值。

也就是说，传统材料想要像T1000一样真正实现“刚柔并济”，基本不可能。

不过呢，其实目前确实有一些材料，在保有高度柔软性的同时具有一定程度的刚性。例如D3O这种近年来非常火的材料，虽然外观看起来像橡皮泥一样柔软，可以任意塑造形状，但在受到瞬间的冲击时（例如锤击），又可以变得非常坚硬。

D3O实际上利用了剪切增稠效应，有些流体在受到剪切力（例如锤击）的时候，粘稠度会忽然增加。好比看起来像是橡皮泥，猛然砸下去反而却像砸在了一大块碳纤维上。

D3O制成的防护手套

作者：HecltoTrmel2020

图片来源：维基百科

自然界中也不乏具有类似特性的物种，例如常见的海洋生物海参，虽然身体柔软，但实际上海参可以在一定范围内调节身体的硬度。其背后的原理是改变组成其身体的原纤维间基质的硬度，从而让原本柔软的身躯具备一定的承载能力，防止各种环境因素对其身体造成伤害。

具有柔软身体的海参

作者：François Michonneau 图片来源：维基百科

之前的此类材料（当然也包括海参的身体结构），存在一个致命的问题，就是他们无法像铝合金或者钢铁一类的结构材料那样，可以维持刚性状态下的形状，更无法抵御一般的结构材料所能承受的拉伸、剪切以及扭转等各种力学载荷。

不过，完成本次研究的团队却制成了一种可以很容易转换刚柔两种状态，还能在刚性状态下拥有金属一般优秀机械强度的材料，这就是MPTM。据介绍，MPTM的发明过程中，来自海参的灵感发挥了关键作用。

MPTM的刚柔转换机理图片来源：参考文献1

MPTM牛在哪里？

MPTM是一种以金属镓和磁性颗粒构成的复合材料。镓是一种低熔点金属，它在29.8℃下就可以熔化，所以在正常的室温（25℃）状态下是金属，但温度稍微升高（例如在人的手心的温度下），就会变为液体。

在这种特殊性质的基础上，科研人员们巧妙地利用了交变磁场对MPTM中磁性颗粒的产热效应，仅仅依靠控制磁场就能让MPTM材料的温度升高到镓的熔点之上，从而变为液态。之后，一旦自然冷却，MPTM又会变为性状类似金属的固体。

两种状态下的MPTM示意图图片来源：参考文献1

固体下的MPTM，拥有和镓金属类似的机械特性，机械强度能够达到21MPa，可以承受超过自身重量30倍的物体。虽然跟一般的结构材料相比，还有些脆弱，但作为一般的固体材质已经完全具备了实用意义。最绝的是，由于磁性颗粒的存在，无论是液体状态还是固体状态下，MPTM都能受到磁场的控制，可以利用磁场来对其进行移动。

在演示视频中，一个被困在笼子里的MPTM小人经历一次液化后，从笼子中“逃”了出来，然后又再次恢复到原来的形状，还上演了一出原地“暴起”，简直就是T1000本尊。不过，必须要指出的是，实际上在笼子下方是一个小人形状的模具，液化后的MPTM进入模具，冷却后重新被铸造成了小人形状。即便如此，MPTM仍然达到了前所未有的高度。

动图1 小机器人的液化“越狱”过程图片来源：参考文献1

动图2 小机器人冷却后恢复原形，注意笼子下面的模具图片来源：参考文献1

研究小组同时也提供了一系列潜在的应用场景，例如可以让MPTM以固态形式进入身体内部，然后在磁力作用下液化的同时包裹误吞的异物，再通过磁场控制凝固，并引导携带异物的MPTM离开人体。此外，在有限的空间内组装电路和部件以及流入螺丝孔固定物体等几个演示也令人印象深刻。

动图3 MPTM排除身体内异物的演示视频图片来源：参考文献1

动图4 MPTM小机器人成功连接电路图片来源：参考文献1

本次中美科学家提出的MPTM材料，在变形、恢复以及受控能力等几个方面，都取得了液体机器人研究领域的新突破。虽然在精准控制等方面，仍然达不到实用级别，且完全恢复到液化前的形态也只能依靠小小的“心机”才能实现。但科幻电影中的天马行空走进现实，仍然是值得我们兴奋的，你是否也对此感到期待呢？

编辑：孙晨宇

参考文献：

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

2.机器人液化越狱：中国团队实现终结者幻想，灵感竟来自海参https://m.thepaper.cn/newsDetail_forward_21690166

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