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小机器人从固体变成液体，在磁场的引导下穿过“笼子”，通过放置在栏杆外的模具再次凝固，成功“越狱”。

科幻电影《终结者》中的情节，出现在中美科学家共同提出的“磁控固液相变材料”实验中。该研究由中山大学传感技术与生物医学仪器广东省重点实验室、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机器人实验室共同完成。相关研究论文近日发表在国际期刊《物质》上。

固液气状态“可自由切换”

相变是指物质从一种状态到另一种状态的转变。相变材料是指可以在固态、液态和气态之间切换的材料。

论文作者之一、中山大学教授蒋乐伦告诉科技日报记者，根据化学成分，相变材料可分为使用金属合金、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，以及复合相变材料。

因为相变材料在相变时会吸收或释放大量的能量，所以相变材料的典型应用就是储能。

“相变材料主要利用潜热储存能量，具有储热密度高、储热装置结构紧凑、相变过程中温度基本恒定、易于管理等特点。其应用场景包括太阳能储能系统、空蓄冷系统等。”蒋乐伦说。

相变材料的另一个应用是热传递。“热管可以使用内部工作流体，如水和酒精，实现从液体到气体的可逆相变。在这个过程中，热管会吸收和释放大量的热量，成为高效的传热元件。目前热管已经广泛应用于笔记本CPU散热、大功率电子元器件散热等领域。”蒋乐伦说。

固态刚性强，液态可变形。

“我们提出磁控固液相变材料，主要灵感来源于电影《终结者》和动物海参。”蒋乐伦说，“终结者里液态金属机器人的手，经过固液切换后，可以变成刀。同时，机器人还可以变成液体，越狱。海参也很有趣，通过改变富含蛋白质的原纤维基质的硬度，可以改变体壁的形状。”

磁控固液相变材料是在液态金属的基础上制成的。蒋乐伦介绍，液态金属是一种无机相变材料，通常在较低的环境温度下可以在固态和液态之间切换。

为了充分利用液态金属在一定条件下的固液切换特性，研究团队在液态金属-镓中混合了磁性颗粒，如NdFeB和fe3o 4。通过高频磁场加热，液态金属会从原来的固态变成液态。在它变成液态后，研究小组可以通过半导体制冷(珀耳帖效应)或自然冷却来冷却它，从而使它从液态变成固态。

“通过外加磁场，我们可以以复杂的方式控制磁控液态金属固液相变材料的运动、变形、分裂和愈合。此外，相变材料还具有高导热、高导电的特点，相变温度可以通过合金化来调节。”蒋乐伦说。据了解，这种磁控固液相变材料在固态下具有很高的刚度，但它可以像液态的水一样结合固态和液态金属的优点。

在研究过程中，团队遇到了许多挑战，从如何快速冷却液态金属到如何使材料具有生物相容性。“最终，通过配方的不断调整和完善，我们实现了材料的快速冷却，未来有望应用于人体。”蒋乐伦说。

有望在工业上得到应用。

蒋乐伦介绍，磁控固液相变材料未来将有三大应用。

首先是电子电路的修复。“在磁场环境下，由磁控固液相变材料制成的机器人可以将电子元件推到一个封闭的、无法操作的空房间。加热后，机器人从固体变成液体来焊接这些电子元件，从而修复电路。”蒋乐伦说。

第二是零部件的组装。由磁控固液相变材料制成的机器人，在磁场的引导下，到达受损部位，通过交变磁场加热液化并变形为万向螺杆，然后将两部分固定，完成受损部件的装配。

第三是在生物医学上的应用。“比如孩子误吞一些异物后，我们可以通过磁力控制固液相变材料，使其液化，凝固后再取出。”蒋乐伦说，“此外，这种相变材料还能在固态下封装药物，液化后定点释放药物。”

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方面技术成熟度较高，有望在工业上得到快速应用。但在生物医学领域并不成熟，如人体内异物的提取和药物的控制释放，尤其是生物相容性和安全性有待进一步验证。

“未来几年，在磁控固液相变材料方面，我们将进一步开展安全性试验，同时结合图像导航技术，实现磁控固液相变机器人及其集群在体内的可控、可视化操控和药物释放，使研究成果进一步走向临床。”蒋乐伦说。

(科技日报)