“一开始我发现这种新材料拉伸后摸起来有点烫。我的第一反应是怀疑是否存在错觉。”谈及发表在《Science Advances》上的研究，清华大学特约研究员王洪章表示。
最近，他和他的合作者开发了一种新型液态金属弹性体结构，具有多种智能特性，包括智能响应、导体-绝缘体转换、刚度调节、可控发热等。
图丨王洪章（来源：王洪章）
之所以产生“错觉”，是因为在这项研究中，研究人员首次可以通过拉伸、挤压、靠近磁铁等外部刺激，引起液态金属的相变，使其可控地释放热量，材料温度甚至会迅速升高。上升30摄氏度。
在这种液态金属磁流体材料负载有机聚合物后，他们发现它具有高度过冷特性，可以保持50摄氏度以上的温差而不会发生自然相变。
在之前的研究中，人们普遍认为液态金属弹性体产生的热量可以忽略不计，但这项研究表明，产生的热量可以作为驱动热响应过程的能量。
例如，热量可以产生热红外信号和热响应颜色变化。
该研究小组首次使用热成像相机对不同的触发刺激进行空间可视化，并且还在被动状态下形成了复杂的红外图案（如下图所示的爱因斯坦头）。
相反，利用热成像或颜色变化，可以可视化触发刺激（例如应力和磁场）的分布。
图丨通过液态金属弹性体结构对信息编码触发信号的感知和实时红外可视化（来源：Science Advances）
本研究的实验设计巧妙、精密。它利用红外信号成像来感知输入刺激，然后准备灵活的传感系统，实现多刺激、实时、原位、大面积的传感。
此前，如果想要控制热量的释放来进行传感，通常是通过化学变化来实现，而且大多数过程是不可逆的。
这项研究的创新之处在于其物理相变的设计，这意味着智能无源系统无需复杂的外部电路或输入能量即可实现传感。
谈及这项研究的创新点，王洪章表示：“我们研发的液态金属可以制成微米级的颗粒，每个颗粒都可以作为热源和信号显示装置。”
而且，无需任何其他连接线或电源，通过材料本身即可实现视觉成像。
该技术在储能、传感、智能材料机器人等领域具有潜在的应用前景。审稿人认为，这项研究可以显着推进液态金属弹性体复合材料的设计和实际应用，为创建未来的智能软系统提供希望。
一是储能领域。
该研究克服了跨温区、跨季节储能问题，让材料在高温下吸收热量，在低温下保持稳定状态，并在特定地点或场景释放，实现远距离运输活力。
“与传统石蜡等材料相比，我们开发的新材料可以实现每升473千焦耳的高体积潜热值。”王洪章说道。
二是传感领域。
热能可以在没有可见光的情况下产生红外信号，因此该材料可用于应力传感热成像。
王洪章举了个例子：“比如汽车在风洞测试时，利用红外热成像技术和这种新材料可以根据拉应力判断哪里阻力可能更大，从而改进车身设计结构。 ”
另一种情况是，当飞机高速飞行时，通过这种材料制成的智能薄膜显示气压值或压力分布。这是传统材料难以达到的效果。
三是智能材料机器人领域。
液态金属弹性体材料采用类硅弹性材料并添加液态金属导电材料。其柔韧、可拉伸的特性适合智能电子皮肤。
值得注意的是，材料在受到磁场触发后会发生相变，包括电性能和刚度的变化。
具体来说，电性能的变化是指受到磁场触发后由绝缘体变为导体的变化。 “它的电导率在外部刺激下可以实现超过109倍的可逆转变。这种变化使其可用作电子皮肤中的柔性传感器和开关。”王洪章说道。
不仅如此，材料的刚度也会发生巨大的变化。在软机器人中，可以根据环境调整刚度，以调整抓取物体的重量；或者可以根据需要随时调整外骨骼的刚度。
近日，相关论文发表在《Science Advances》[1]上，标题为《基于智能液体金属弹性体结构的多刺激感知和可视化》（Multi-stimulus感知和可视化通过智能液态金属弹性体架构）。
清华大学王洪章助理教授为第一作者和通讯作者，北京航空航天大学袁波副教授为共同第一作者，澳大利亚新南威尔士大学唐建波助理教授、刘教授清华大学的Jing为共同通讯作者。
图丨相关论文（来源：Science Advances）
在下一阶段的研究中，研究人员计划探索该材料在柔性可穿戴设备中实现可编程加热或可控加热的应用效果。
例如，通过开发智能贴片或电子创可贴，我们可以促进肿瘤高温、伤口愈合，或通过电刺激改变情绪。
此外，他们还将继续提高材料精度，以可视化人形机器人假肢等较大面积应用场景中的应力分布。
参考：
1.H.王等人。通过智能液态金属弹性体架构实现多刺激感知和可视化。科学进展（2024）。 https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adp5215
排版：习书
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