科學家研發液態金屬智慧彈性體，有望用於柔性顯示和智慧感知等

“最初發現這種新材料拉伸後有點燙手，我的第一反應是疑惑是否出現了錯覺。”談及發表在 Science Advances 的研究，清華大學特別研究員汪鴻章如是說。

近期，他與合作者研發了新型液態金屬彈性體結構，並具有多種智慧特性，包括智慧響應、導體絕緣體轉變、剛度調節、可控產熱等。

圖丨汪鴻章（來源：汪鴻章）

之所以出現“錯覺”，是因為在該研究中，研究人員首次透過拉伸、按壓、磁鐵靠近等外界刺激能引起液態金屬相變，使其將熱量可控地釋放出來，材料溫度甚至可迅速上升 30 攝氏度。

他們將這種液態金屬磁流體材料負載在有機高分子後，發現它具有高度過冷特性，可維持 50 多攝氏度的溫差，而不會發生自然的相變。

在以往的研究中，通常認為液態金屬彈性體所產生的熱量微乎其微，而該研究表明，其所產生的熱能夠作為能量驅動熱響應過程。

例如，熱能夠產生熱紅外訊號與熱響應變色。

該課題組首次使用熱成像相機對不同的觸發刺激進行了空間視覺化，同時也在無源的狀態下，形成複雜紅外圖案（如下圖展示的愛因斯坦頭像）。

反之，利用熱成像或者顏色改變，能夠視覺化觸發刺激如應力和磁場的分佈。

圖丨透過液態金屬彈性體結構對資訊編碼的觸發訊號的感知和實時紅外視覺化（來源：Science Advances）

該研究的實驗設計巧妙精細，利用紅外訊號成像能夠感知到輸入刺激，進而製備出具有柔性的感測系統，實現多刺激、實時、原位的大面積的感測。

此前，如果想透過可控的釋放熱量進行感知，通常利用化學變化來實現，其過程多數是不可逆的。

而該研究中的創新性在於其設計的是物理相變，也就是說，智慧的無源系統能夠實現感測，而不需要外界複雜的線路或輸入能量。

談及這項研究的創新點，汪鴻章表示：“我們開發的這種液態金屬可以做成微米級別的顆粒，每個顆粒都可作為熱源和訊號的顯示裝置。”

並且，沒有任何其他的連線線或電源，相當於透過材料本身就可以實現視覺化成像。

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該技術在儲能、感測、智慧材料機器人等領域具有潛在的應用前景。審稿人認為，該研究可以顯著地推進液態金屬彈性體複合材料的設計和實際應用，為創造未來智慧軟系統提供了希望。

第一，儲能領域。

該研究克服了跨溫區和跨季節儲能，能夠讓該材料在高溫時吸熱，在低溫時保持穩定狀態，並在特定位置或特定場景下釋放，實現了能量的長距離運輸。

“相比於傳統的石蠟等材料，我們研發的這種新材料能實現 473 千焦每升的高體積潛熱值。”汪鴻章說。

第二，感測領域。

熱能在不可見光情況下可發生紅外訊號，因此能夠將該材料用於應力感測熱成像。

汪鴻章舉例說道：“比如在汽車在做風洞測試時，利用紅外熱成像技術加上這種新材料，可基於拉伸應力，來判斷哪個地方可能受到的阻力更大，從而改進車身機構的設計。”

另一種情況是，飛機在高速飛行時，透過由該材料製備的智慧薄膜將氣壓或壓力分佈的數值顯示出來，這是傳統材料很難實現的效果。

第三，智慧材料機器人領域。

液態金屬彈性體材料採用類似矽膠的彈性材料，並新增了液態金屬導電材料，其柔性可拉伸的特性適用於智慧電子皮膚。

值得關注的是，該材料在磁場觸發後，會發生相變，包括電學性質和剛度的改變。

具體來說，電學性質的改變指的是，磁場觸發後由絕緣體變為導體。“它的電導率在外界刺激下實現超過 109 倍的可逆轉變，這種改變使其可作為電子皮膚中的柔性感測器和開關。”汪鴻章說。

不僅如此，材料的剛度也可以發生大幅度改變。在軟體機器人中，可根據環境調整剛度，來調整抓取物的重量；或者可根據需要隨時調整外骨骼剛度。

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日前，相關論文以《基於智慧液體金屬彈性體結構的多刺激感知和視覺化》（Multi-stimulus perception and visualization by an intelligent liquid metal-elastomer architecture）為題發表在 Science Advances[1]。

清華大學助理教授汪鴻章是第一作者兼通訊作者，北京航天航空大學副教授袁博是共同第一作者，澳大利亞新南威爾士大學助理教授湯劍波和清華大學劉靜教授擔任共同通訊作者。

圖丨相關論文（來源：Science Advances）

在接下來的研究階段，研究人員計劃探索該材料在柔性可穿戴裝置實現可程式設計的加熱，或者可控的加熱的應用效果。

例如，透過開發智慧的貼片或電子創可貼，實現促進腫瘤熱療、傷口癒合，或透過電刺激來改變情緒等。

此外，他們也將繼續改進材料精度，以在人形機器人假肢等更大面積的應用場景實現應力分佈的視覺化。

參考資料：

1.H.,Wang et al. Multi-stimulus perception and visualization by an intelligent liquid metal-elastomer architecture. Science Advances(2024). https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adp5215

排版：溪樹

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