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中国诞生“终结者”:液态金属机器领先世界

时间:2015-04-10 09:55来源:未知 作者:胡书杰 点击:
提到液态金属,最被大家熟知的就是水银。近日,中国科学院理化技术研究所和清华大学医学院联合研究小组发现,液态金属可在“吞食”少量物质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,这样可变形、可高能运转的液态金属让人不禁想到科幻电影《终结
  提到液态金属,最被大家熟知的就是水银。近日,中国科学院理化技术研究所和清华大学医学院联合研究小组发现,液态金属可在“吞食”少量物质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,这样可变形、可高能运转的液态金属让人不禁想到科幻电影《终结者》中由液态金属制成的T-1000和T-X型终结者,这一针对液态金属的最新发现很可能让液态金属机器人成为现实。
  1、液态金属,你陌生吗?
  有一些金属由于熔点较低,在常温下也处于液体状态,例如大家熟知的汞,此外还有许多合金在室温甚至在很低的温度时也为液态,如稼铟合金(以一定配比制成合金后,在室温下即呈液态)。
  在有些报道中我们也会看到液态金属的身影,如此前媒体报道的液态金属将应用在手机中,这里的液态金属其实是一种金属玻璃,即在高温金属融化后运用技术将其液态化的原子状态保留在其固态中,这样的金属在物理、化学、力学性质上都同其本来固态化时有很大区别,例如其能降低电能损耗,因此被运用在电力、电子行业,有很好的节能性,此外还具有较高的抗腐蚀及高耐磨特性,运用在手机中会增加手机的抗摔、抗划能力。但这并不是真正意义上的液态金属,其在室温时并不是液体状态。
  2、液态金属软体生物
  在清华大学医学院生物医学工程系刘静实验室,出现了这样一幕:电解液中,直径约5毫米的液态镓金属球,吞食了0.012克铝之后,能以每秒5厘米的速度前进。而在各种槽道中前行时,可以随槽道的宽窄自动变形调整,遇到拐弯时停顿下来,略作“思考”后,蜿蜒前行。
  它的神奇之处在于:“吃”食物、自主运动、能变形、能“代谢”、易无缝组合、运动方向可控,这些接近自然界简单软体动物的习性,让刘静把这一研究成果亲切地称之为“液态金属软体动物”。那么它的动力从哪儿来呢?
  刘静教授解释称,科学家此前发现“液态金属机器”的“电驱动”现象,即电荷会改变液态金属的表面张力,在内部形成旋转,因此控制电荷运动,就能像车轮一样驱动“液态金属机器”往前走。而最新研究发现“液态金属机器”会“吞食”铝片作为产生电荷的“燃料”。
  他解释说,刚开始“液态金属机器”并没有外部动力,等“吞食”铝片后(也可以理解为腐蚀),在电解液里形成原电池反应,就能自行运动了。如果运动路线上还有一些铝片,那么“液态金属机器”走到那里也能顺路“吞食”掉。它的运动速度并不慢,可以达到每秒5厘米,而且行动距离相当远,在容器中可以走一个多小时。这一反应提供了两种推力,一个是液态镓合金和活泼的铝发生化学反应后,形成内生电场,引起液态金属表面张力不平衡,从而对易于变形的液态金属产生强大推力;另一个是上述电化学反应过程中产生的氢气也进一步提升了推力,双重作用产生了超常的液态金属马达行为。目前,实验室根据上述原理已能制成不同大小的液态金属机器,尺度从数十微米到数厘米,且可在不同电解液环境如碱性、酸性乃至中性溶液中运动。
  3、神经损伤的救星
  液态金属和医学挂钩,大多人想的会是其运用在医学器械上,但如果说液态金属可以植入生物体呢?
  众所周知,神经网络遍布于人体全身,因而神经损伤与断裂在医学上极为普遍。据统计,有多达100种以上的因素均可造成神经破损。生理学上,神经再生是一个极为缓慢的过程,有时甚至需要长达数年的时间才能恢复切断神经末梢的互连。因此,尽管神经损伤一定程度上可通过某种手术或物理方式加以治疗,神经纤维一旦被彻底切断或破坏,唯一的希望只能是将这些分隔的末梢尽快连通。这是因为,神经信号一旦持续中断,患者对应的肌肉功能即会随之减退、萎缩,直至造成永久性的功能缺失乃至截瘫。
  当前,治疗周围神经损伤的“金标准”在于自体神经移植,但却受到供区神经来源不足、供区神经功能丧失,以及供区神经结构和尺寸不匹配等限制。因此,寻找合适的神经移植替代物长期以来成为神经修复领域中的重大挑战。近年来,显微外科和纳米材料学的发展为断裂神经修复带来了新希望,但仍受到诸如导通能力不足,神经功能恢复不畅等制约。
  迄今,临床医学上逐步得到广泛认同的是,如能将恢复期的肌肉神经信号持续高效地传达至目标,则将大大加速神经的修复过程并促成其保持原有功能。而神经功能主要是通过电信号的传输和响应来实现的。正是出于这一考虑,研究小组基于10余年来在液态金属材料学与生物医学工程领域的长期积累和实践,首次提出了具有突破性意义的液态金属神经连接与修复技术,旨在迅速建立切断神经之间的信号通路及生长空间,从而提高神经再生效率并降低肌肉功能丧失的风险。
  刘静教授的研究小组通过实验证实提出了液态金属神经连接与修复技术。在题为Liquid Metal as Connecting or Functional Recovery Channel for the Transected Sciatic Nerve(液态金属作为连接或恢复切断坐骨神经功能的通道)的论文中,研究小组首次证实了以液态金属作为高传导性神经信号通路的可行性。通过建立牛蛙腓肠肌模型,采用液态金属连接剪断的神经组织,借助微弱电刺激试验探明了液态金属神经传导的优势。
  结果表明,利用液态金属连接的神经模型能很好的传递刺激信号,与剪断前的正常神经组织在信号传导方面具有高度的一致性和保真度,显著优于传统的林格氏液。与此同时,由于液态金属在X射线下具有很强的显影性,因而在完成神经修复之后很容易通过注射器取出体外,从而避免了复杂的二次手术。这一方法为神经连接与修复开辟了全新方向。国际上诸多科学媒体纷纷对此加以评介,认为是令人震惊的医学突破。
  4、液态金属还会拥抱
  液态金属的自主运动、能变形、导电等特性为研制实用化智能马达、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技术基础。由于“仿生物”液态金属机器人可以实现不同形态之间的自由转换,以执行高难度的特殊任务,因此可以在未来广泛应用于军事、医疗与科学探索等多种领域的多元场景。
  刘静说,由于智能材料可柔性好、自驱动、能变形,在传感器的帮助下,可以读取并模拟远方活体行为信息,实现“远程握手”“远程拥抱”等应用场景。这意味着分隔两地的家人、爱人可以通过科技触及对方,人和人的距离将因科技而变得更近。

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(责任编辑:胡书杰)

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