液态金属为世所瞩目的前沿技术，我国在研究上处于领跑地位，研究团队不仅提出了液态金属计算概念和技术方案，还发现其存在不少“类生物行为”，并已开始探索这些成果的应用

　　2013年，中国团队把液态金属做成了打印机的“墨水”，在纸上直接生成电子电路；2014年，中国研制出世界首台室温液态金属打印机；不久前，我国在国际上首次提出了液态金属计算机的基本概念和技术方案，并明确指出这一可变形的柔性器件，有望助推新一代量子计算机和人工智能系统的发展……

　　近年来，我国在液态金属的研究及应用领域不断取得引人瞩目的新进展。作为一种新材料，在科学家眼中，液态金属是流动的软体生命，是连接人体神经的桥梁，是未来机器人变革的核心材料。那么，液态金属到底有哪些“武艺”，液态金属“变身为”计算机是否会带来一场新的计算革命？

　　科幻作品中任意变换形态的“液体机器人”可望实现

　　液态金属，是常温常压下保持液态的一类合金。提起液态金属，很多人会想到水银。其实，液态金属是个大家族，通常泛指熔点比较低的金属或合金材料。在这个大家族里，水银只是其中个性“张扬”的一分子，它易蒸发，会形成有剧毒的汞蒸气，因而限制了实际应用。但水银有很多低调谦和的“兄弟姐妹”，比如金属镓及镓系不同配比制成的镓铟合金或镓铟锡合金，它们去掉了易蒸发和毒性这些戾气，能友好地与人类相处。

　　液态金属具有优越的性能，它很轻但却极为强硬，它既有金属的良好导电性又具备流体的柔性，同时它还具有高弹性、能一次成型等诸多优点。近年来，研究应用液态金属被人们看作人类利用金属的第二次革命。

　　中科院理化所、清华大学双聘教授刘静是我国液态金属研究的领军人物。经过10多年研究探索，他不仅带领团队发现了液态金属在热学、流体、电子学、生物医学及柔性机器等方面的一系列独特机理，拓宽了人类认知世界的边界，还在这些研究成果的基础上着手探索可能的应用方向。

　　首先液态金属有望助推电子电路个性化制造。2013年6月，将液态金属做成打印“墨水”，刘静团队首次研发出纸上直接生成电子电路。一年后，团队又研发出世界首台室温液态金属打印机，借助该设备，只需在计算机上设定程序，就可以“打”出个性化的电路系统。这一科研成果让极低成本下快速、随意地制作电子电路成为现实，有望改变电子电路的制造规则。

　　说起液态金属，很多人第一时间想到的，恐怕是电影《终结者》中可以任意变换形态的“液体机器人”。这一存在于科幻作品中的形象，目前有了可能实现的路径。2015年3月，刘静团队研发出自主运动的可变形液态金属机器。他们发现，液态金属拥有一种异常独特的现象和机制，即液态金属可在吞食少量物质后以可变形机器形态长时间运动。这种被命名为“软体动物”的液态金属人工机器，在形态上接近自然界简单的软体生物，为未来可变形机器人迈出了关键的一步。“当前全球先进机器人研发竞争激烈，液态金属打开了机器人的想象空间，有望成为机器人变革的重要引擎。”刘静说。

　　在生物医学领域，液态金属也有可以大展拳脚的空间。比如，针对断裂神经修复这一世界性难题，刘静团队利用液态金属成功“搭桥”，建立信号通路。这一实验，为人体神经功能快速重建提供了可能。

　　液态计算机改变的不仅仅是运算能力

　　更快更智能的计算，一直是人类追求的目标。在液态金属诸多神奇应用中，刚刚提出的液态金属计算概念更为科学家看重。

　　不同于一般的导电介质，液态金属的独特之处在于，它在不同的环境下导电性也有差异。这一看上去或许微不足道的变化，在科学家眼中对革新计算可能有重大价值。

　　“比如，借助温度调控装置，改变液态金属所处的环境温度，使其在固液两种状态之间切换。因为固态和液态形态下电阻值不同，我们就可以把它理解为‘0’和‘1’的状态，即假如把固态状态定为‘1’，液态状态则为‘0’”。刘静说，以此基础就能构建基于液态金属的记忆与逻辑单元，甚至计算系统。

　　利用液态金属这一特性，它可以成为计算的核心逻辑单元，从而带来革新传统计算机的可能性。

　　液态金属应用于计算领域，不仅会大大提升计算速度，还可能会开创液态计算机新时代。传统计算机以顺序执行指令的方式运行，液态金属计算机，由于能通过多种方式同时进行编程，一次可同时执行多个指令，具有高度并行性的特点，因此运算速度上会更快。液态金属还兼具流体的柔性、可任意变形的特征，能够制作柔性的液体电子乃至半导体单元，由此或将改变目前电脑硬邦邦的形态。此外，液态金属也具有更好的散热性能，发热量更小，也使电脑变得“娇柔”提供了可能。

　　量子计算机被普遍认为是新一代计算机的重大发展方向。与传统计算机不同，量子计算机利用量子叠加和量子纠缠来实现逻辑运算。量子计算机的运算模式，决定了量子算法的上限和潜力远高于经典算法。不过，刘静认为，在核心的器件和物理实现方法上，当前量子计算机和传统计算机一样，都由固体的器件组成。比如，量子计算机的一种核心逻辑单元——超导隧道效应器件的结构一般由中间层和两侧构成，中间层是一块绝缘的薄层，两侧为导电介质电极。由于这些结构是固体的，形状无法变形、分割，一旦制备出来，一般只能按其特定结构实现对应功能，其运算能力和应用也会受到限制。

　　为此，刘静团队提出了一种全液态量子器件的制备方法。基于液态金属的柔性和可变形性，表面易于达到原子级别的完美光滑度等特性，刘静团队通过力场、电场、磁场等多种物理场来调控全液态量子器件的中间液层的厚度，使液膜间隙达到极小尺度甚至完全消失，满足了实现量子计算机运行对尺度的要求，并使整个系统具备了高度的灵活性、智能性和可控性。刘静认为，基于液态金属的计算机架构，可能预示着下一代计算机的雏形。

　　液态金属的“类生物行为”可能给生物医疗健康等领域带来颠覆性变革

　　近些年，液态金属研究从冷门逐渐成为国际上备受瞩目的重大科技热点。包括美国、澳大利亚、新加坡等国家在内的一些团队纷纷投入力量进入这片处女地。2014年，美国国家航空航天局还将液态金属冷却列为未来前沿技术之一。

　　重视之下，液态金属研究的成果不断涌现。英国萨塞克斯大学和斯旺西大学的科学家找到了一种通过电场使液态金属变为各种二维形状的方法，如变成心形或字母等等；美国卡耐基梅隆大学科学家研发出一种在室温下呈液态的金属合金，并将其注入橡胶后制成了像天然皮肤一样柔软和富有弹性的晶体管。

　　在液态金属研究上，我国目前已处于领跑者地位，研究团队不仅发现了液态金属存在不少“类生物行为”，并已开始探索这些成果的应用。比如，清华大学、中国科学院等单位的研究团队发现，液态金属具备与细胞类似的吞噬外界颗粒的“胞吞效应”，并且他们还发现液态金属具有“呼吸获能”的本领。此外，研究发现，如在电解液的环境中，一块镓基液态合金在“吃掉”铝之后，可变身为机器形态，无需外部动力就可长时间的高速运动，等等。

　　其中，一些研究成果还以封面文章的形式发表在了国际权威期刊《尖端科学》。

　　“我国对液态金属研究积累较深，国际上不少机构是在我们所开辟的方向上做研究，但一项重大的突破就可能改变既有的格局。一些发达国家实验室凭借在学术话语上的强势地位，也可能影响科学界的判断，我们需要不断用有分量的成果说话。”刘静说。

　　液态金属未来产业应用，有赖于科学家进一步深入了解物理机理和产业界的共同努力。比如，当前发现液态金属的运动特性，尚只是柔性机器人发展的初级阶段，要使之成为像“终结者”这样的仿生物体柔性机器人，还很遥远。又如，液态金属想真正用于修复神经，还需做更多的研究，探索它的作用机制以及长期停留在人体内是否安全。

　　“一类材料，一个时代。”刘静认为，液态金属作为一类特殊功能材料，已展示出引领和开拓重大科技前沿的特质，有望在电子信息、先进制造、柔性机器人、生物医疗健康等领域带来颠覆性变革，并催生出一系列战略性新兴产业。“我希望国内外更多的优秀团队参与进来，共同应对液态金属研究面临的重大挑战。”