小机器人从固态变为液态，在磁场的引导下穿过“牢笼”，并通过放置在栏杆外的模具重新凝固，成功“越狱”。
这种科幻电影《终结者》中的情节，出现在中美科学家联合提出的“磁控固—液相变材料”的实验中。该研究由中山大学广东省传感技术与生物医疗仪器重点实验室、浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室和卡内基梅隆大学软体机器人实验室合作完成。相关研究论文日前发表于国际期刊《物质》。
固液气状态“切换自如”
相变，指物质从一种状态到另一种状态的转变。相变材料则指可以发生固液气三种状态切换的材料。
论文通讯作者之一，中山大学教授蒋乐伦告诉科技日报记者，相变材料按照化学组分，可以分为使用金属合金、无机盐等无机物的无机相变材料，使用石蜡、多元醇等有机物的有机相变材料和复合相变材料。
由于相变材料在发生相变时，会吸收或者释放大量能量，因此相变材料的典型应用是储能。
“相变材料主要利用潜热储能，具有储热密度大，蓄热装置结构紧凑，相变过程中自身温度基本不变，易于管理等特性。其应用场景包括太阳能储能系统、空调储冷系统等。”蒋乐伦说。
相变材料的另一应用是传热。“热管可以利用内部工质，如水、酒精等，实现从液到气之间的可逆相变。在此过程中，热管会吸收和释放大量的热量，成为高效传热的元件。目前，热管已经广泛应用于笔记本CPU散热，高功率电子元器件散热等领域。”蒋乐伦说。
固态刚度强，液态可形变
“我们提出磁控固—液相变材料，主要的灵感来源是电影《终结者》与动物海参。”蒋乐伦说，“《终结者》中的液态金属机器人的手，可以在固液切换后，变成一把刀。同时，机器人还可以变成液态后越狱。海参也非常有趣，可以通过改变富含蛋白的原纤维间基质的硬度，来改变体壁外形。”
磁控固—液相变材料是在液态金属的基础上制造的。据蒋乐伦介绍，液态金属通常可以在较低环境温度下实现固态和液态之间的切换，是一种无机相变材料。
为了充分利用液态金属在特定条件下固—液切换的特性，研究团队将磁性颗粒，如钕铁硼、Fe_3O_4等混合融入液态金属——镓中。通过高频的磁场加热，该液态金属会由原先的固态转变为液态。在其转变为液态后，研究团队可以通过半导体制冷(珀耳帖效应)或者自然冷却对其进行降温，从而使之由液态变为固态。
“通过外磁场，我们可以对磁控液态金属固—液相变材料的运动、变形、分裂、愈合等进行复杂的操控。此外，该相变材料还具有高导热、导电的特性，还能通过合金化调节相变温度。”蒋乐伦说。据了解，这一磁控固—液相变材料，在固态时有较高的刚度，而在液态下可以像水一样，融合了固态与液态金属的优势。
在研究过程中，从如何让液态金属快速冷却，到如何使材料具有生物相容性，团队遇到了很多挑战。“最终通过配方的不断调整、细化，我们实现了材料的较快冷却，未来也有望在人体中应用。”蒋乐伦说。
有望在工业上得到应用
蒋乐伦介绍，磁控固—液相变材料在未来有3个方面的应用。
一是电子电路的修复。“在磁场环境下，由磁控固—液相变材料制成的机器人可推动电子元器件到封闭不可操作的空间，通过加热之后机器人由固态变成液态，以焊接这些电子元器件，从而修复电路。”蒋乐伦说。
二是零部件的组装。由磁控固—液相变材料制成的机器人，在磁场的引导下，抵达损坏的位置，通过交变磁场加热液化变形为万能螺钉，之后对两个零部件进行固定，完成损坏处零部件的组装。
三是生物医学上的应用。“例如，儿童误吞一些异物后，我们可以通过磁控固—液相变材料，液化后包裹异物，固化后再将异物取出。”蒋乐伦说，“此外，这种相变材料还可以在固态下封装药物，液化后定点可控释放药物。”
蒋乐伦告诉记者，磁控液态金属固—液相变材料在电子电路的修复和零部件的组装上，技术成熟度较高，有望在工业上得到快速应用。但在生物医学领域，如人体内异物提取和可控释药等方面还不成熟，特别是生物相容性和安全性还有待进一步验证。
“未来几年，在磁控固—液相变材料方面，我们会进一步开展安全性试验，同时还会结合图像导航技术，实现磁控固—液相变机器人及其集群在体内的可控、可视操控和释药，让研究成果进一步走向临床。”蒋乐伦说。
