@ 2017.11.06 , 14:00

液态合金或将引领柔性计算机时代

液态合金或将引领柔性计算机时代
credit:123RF

晶体管,这些处理信号和数据的微小电开关,几乎是每个电子设备背后的核心组成。不管是笔记本电脑,还是智能手机或数字温控器都需要用到这些微小的单元。而随着晶体管尺寸的不断缩小,计算机在功能越来越强大的同时却越来越小,越来越便携和普及。然而,如果我们想要创造出有着自然生物柔软外观的人性化机器,我们首先便需要在用于制造电气开关和电路的刚性材料上取得突破。

卡内基梅隆大学柔软机器实验室的机械工程师Carmel Majidi和James Wissman一直在寻找新的方法来创造足够柔软且能变形的电子设备。他们并没有用像铜或银这样的硬质金属制造电路,而是使用一种特殊的金属合金,这种合金在室温下是液态的。这种合金是由铟和镓混合而成,是一种无毒的汞替代品,可以注入橡胶里,使电路像皮肤一样柔软和有弹性。

而两人在与北卡罗来纳州立大学的Michael Dickey合作后发现,液态金属不仅可以用来做可折叠的电路,也可以用来做电气开关。这些流体晶体管通过打开和关闭两个液态金属液滴之间的连接来工作。当有一边的电压降低时,液滴会相互运动并结合起来形成导电的金属桥。当两边电压相同时,液滴便会自发地断开。通过这样的方式,只需少量电压,研究人员就能够模仿出传统晶体管的特性。

研究小组利用毛细管的不稳定性得出了这一结果。Majidi说道“我们在生活中常常可以看到毛细管的不稳定性。如果你打开水龙头,流量很低,这时你可能会看到从稳定流到单个液滴的转变。这就是瑞利不稳定性。”

研究人员必须找到一种方法来诱导液态金属的这种不稳定性,这样它就可以无缝地从一滴过渡到两滴。在对氢氧化钠溶液中的液滴进行了一系列测试之后,他们意识到不稳定性是由外加电压和电化学反应之间的耦合驱动的。这种耦合引起了液滴表面氧化的梯度,从而引起液滴表面张力的梯度,最终使得两个液滴分离。

该小组称之为液态金属晶体管,因为它具有与传统电路晶体管相同的电路特性。Majidi说道:“我们让两个液滴类似于场效应晶体管中的源极和漏极,因此我们可以借助这种形状可编程的特点来连接和断开电路。最终,我们也许可以使用这种效应来创建物理可重构性电路。”

这种可编程材料的应用是无穷无尽的。如果材料可以被编程来改变形状,它们可以通过改变结构来改变它们的功能,甚至可以重组结构来避免自身在极端环境下的损坏。对此,Majidi说道:“这种特性使得它们可以用于那些需要巨大物理形变的结构上,比如一个模仿鸟的飞行机器人。当这种机器人展开翅膀时,你希望机翼上的电路也能变形和重新配置,这样它们就可以继续工作或者运行某种新的功能。”

同时,这种材料也可以用于液体计算机,而这种计算机还可以和生物材料相结合,从而直接检测我们的身体状况。再想象一下,如果搜索和救援机器人可以在损坏时自我更新电路,也许它们的效率将会更高。虽然这些听起来像科幻小说,但液体计算机总有一天也会像今天的笔记本电脑一样平常。

本文译自 phys,由译者 Lough 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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