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出品：科普中國

作者：可可（材料設計師）

監製：中國科普博覽

電影《終結者2》上映後，其中的頭號反派液態金屬機器人T1000，給世人留下了非常深刻的印象。在電影中，T1000不僅(jin) 擁有鋼筋鐵骨，還能隨意改變身體(ti) 形狀，甚至化為(wei) 一灘液體(ti) 後還能重新凝聚成原來的形態。

如今，這一曾經天馬行空的幻想正在逐步變成現實，來自中山大學、浙江大學以及美國卡耐基梅隆大學的研究小組於(yu) 1月25日公布了最新的研究成果，他們(men) 利用一種叫做磁活性相變物質（MPTM）的材料，製成了可以在固體(ti) 和液體(ti) 之間轉換形態，並可在一定程度上受磁力控製的機器人雛形。

在公開的動畫中，研究團隊用穿越牢籠的橋段致敬了《終結者2》中的名場麵，同時向人們(men) 展示了MPTM材料的神奇特性，快來看看是怎麽(me) 回事吧。

終結者2海報

圖片來源：維基百科

為(wei) 什麽(me) 材料很難擁有“剛柔並濟”的特點

常識告訴我們(men) ，剛性和自如的變形能力無法同時共存。的確，對於(yu) 現有的材料，二者很難同時具備。比如，金屬一類具有堅硬外觀的材料，往往熔點非常高。在高溫下雖然能夠熔化為(wei) 自由流動的液態，但一方麵加熱熔化需要耗費相當大的能量和時間，另一方麵高溫的熔融金屬也隻能待在特製的耐熱坩堝裏，除了進行金屬的鑄造，沒有其他的應用價(jia) 值。

也就是說，傳(chuan) 統材料想要像T1000一樣真正實現“剛柔並濟”，基本不可能。

不過呢，其實目前確實有一些材料，在保有高度柔軟性的同時具有一定程度的剛性。例如D3O這種近年來非常火的材料，雖然外觀看起來像橡皮泥一樣柔軟，可以任意塑造形狀，但在受到瞬間的衝(chong) 擊時（例如錘擊），又可以變得非常堅硬。

D3O實際上利用了剪切增稠效應，有些流體(ti) 在受到剪切力（例如錘擊）的時候，粘稠度會(hui) 忽然增加。好比看起來像是橡皮泥，猛然砸下去反而卻像砸在了一大塊碳纖維上。

D3O製成的防護手套

作者：HecltoTrmel2020

圖片來源：維基百科

自然界中也不乏具有類似特性的物種，例如常見的海洋生物海參，雖然身體(ti) 柔軟，但實際上海參可以在一定範圍內(nei) 調節身體(ti) 的硬度。其背後的原理是改變組成其身體(ti) 的原纖維間基質的硬度，從(cong) 而讓原本柔軟的身軀具備一定的承載能力，防止各種環境因素對其身體(ti) 造成傷(shang) 害。

具有柔軟身體(ti) 的海參

作者：François Michonneau 圖片來源：維基百科

之前的此類材料（當然也包括海參的身體(ti) 結構），存在一個(ge) 致命的問題，就是他們(men) 無法像鋁合金或者鋼鐵一類的結構材料那樣，可以維持剛性狀態下的形狀，更無法抵禦一般的結構材料所能承受的拉伸、剪切以及扭轉等各種力學載荷。

不過，完成本次研究的團隊卻製成了一種可以很容易轉換剛柔兩(liang) 種狀態，還能在剛性狀態下擁有金屬一般優(you) 秀機械強度的材料，這就是MPTM。據介紹，MPTM的發明過程中，來自海參的靈感發揮了關(guan) 鍵作用。

MPTM的剛柔轉換機理 圖片來源：參考文獻1

MPTM牛在哪裏？

MPTM是一種以金屬镓和磁性顆粒構成的複合材料。镓是一種低熔點金屬，它在29.8℃下就可以熔化，所以在正常的室溫（25℃）狀態下是金屬，但溫度稍微升高（例如在人的手心的溫度下），就會(hui) 變為(wei) 液體(ti) 。

在這種特殊性質的基礎上，科研人員們(men) 巧妙地利用了交變磁場對MPTM中磁性顆粒的產(chan) 熱效應，僅(jin) 僅(jin) 依靠控製磁場就能讓MPTM材料的溫度升高到镓的熔點之上，從(cong) 而變為(wei) 液態。之後，一旦自然冷卻，MPTM又會(hui) 變為(wei) 性狀類似金屬的固體(ti) 。

兩(liang) 種狀態下的MPTM示意圖圖片來源：參考文獻1

固體(ti) 下的MPTM，擁有和镓金屬類似的機械特性，機械強度能夠達到21MPa，可以承受超過自身重量30倍的物體(ti) 。雖然跟一般的結構材料相比，還有些脆弱，但作為(wei) 一般的固體(ti) 材質已經完全具備了實用意義(yi) 。最絕的是，由於(yu) 磁性顆粒的存在，無論是液體(ti) 狀態還是固體(ti) 狀態下，MPTM都能受到磁場的控製，可以利用磁場來對其進行移動。

在演示視頻中，一個(ge) 被困在籠子裏的MPTM小人經曆一次液化後，從(cong) 籠子中“逃”了出來，然後又再次恢複到原來的形狀，還上演了一出原地“暴起”，簡直就是T1000本尊。不過，必須要指出的是，實際上在籠子下方是一個(ge) 小人形狀的模具，液化後的MPTM進入模具，冷卻後重新被鑄造成了小人形狀。即便如此，MPTM仍然達到了前所未有的高度。

動圖1 小機器人的液化“越獄”過程 圖片來源：參考文獻1

動圖2 小機器人冷卻後恢複原形，注意籠子下麵的模具 圖片來源：參考文獻1

研究小組同時也提供了一係列潛在的應用場景，例如可以讓MPTM以固態形式進入身體(ti) 內(nei) 部，然後在磁力作用下液化的同時包裹誤吞的異物，再通過磁場控製凝固，並引導攜帶異物的MPTM離開人體(ti) 。此外，在有限的空間內(nei) 組裝電路和部件以及流入螺絲(si) 孔固定物體(ti) 等幾個(ge) 演示也令人印象深刻。

動圖3 MPTM排除身體(ti) 內(nei) 異物的演示視頻 圖片來源：參考文獻1

動圖4 MPTM小機器人成功連接電路 圖片來源：參考文獻1

本次中美科學家提出的MPTM材料，在變形、恢複以及受控能力等幾個(ge) 方麵，都取得了液體(ti) 機器人研究領域的新突破。雖然在精準控製等方麵，仍然達不到實用級別，且完全恢複到液化前的形態也隻能依靠小小的“心機”才能實現。但科幻電影中的天馬行空走進現實，仍然是值得我們(men) 興(xing) 奮的，你是否也對此感到期待呢？

編輯：孫晨宇

參考文獻：

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

2.機器人液化越獄：中國團隊實現終結者幻想，靈感竟來自海參

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