液態金屬有望在電子信息、先進制造、柔性機器人、生物醫療健康等領域帶來顛覆性變革

液態金屬能給計算帶來什么(關注·走近“顛覆性技術”③)

本報記者 喻思南

液態金屬，在普通人看來，它可能是體溫計中流動的水銀，是高溫鍋爐中沸騰的鐵水。可在科學家眼中，它是流動的軟體生命，是連接人體神經的橋梁，是未來機器人變革的核心材料……不久前，我國一個科研小組在國際上率先將液態金屬與量子器件及計算技術聯系起來。更快更智能的計算，一直是人類追求的目標。液態金屬是否預示著一場新的計算革命的到來？

液態金屬是常溫常壓下保持液態的一類合金，具有良好的導電性，蘊含著豐富的物理圖景

液態金屬，從字面上理解，就是保持液體狀態的金屬。如鎵銦合金，是常溫常壓下保持液態的一類合金。液態金屬具有良好的導電性，蘊含著豐富的物理圖景。

那么，液態金屬與計算變革又有啥關系？這得從計算機的原理談起。

以晶體管為代表的半導體元件是現代計算機的基本邏輯單元。其原理是，通過控制晶體管電壓的高低，決定一個數據是“1”還是“0”，這一經典邏輯運算模式就是二進制。在此基礎上，人們構建“加減乘除”等運算單元，發展出可編程的芯片，計算機得以走進你我生活。

目前，芯片生產進入集成電路時代。通常，單位芯片上集成的晶體管數目越多，計算性能越好。科學界和產業界不斷縮小晶體管的尺寸，提升單位面積的集成量。過去40多年，半導體芯片一直遵守著“摩爾定律”，即每隔18個月集成度翻一倍，性能提升一倍，產品價格降低一半。這保證了我們享受更低價更快速的計算體驗。

不過，計算機專家預計，隨著晶體管逐漸走向物理極限，“摩爾定律”必定失效，計算機“進化”將遇到瓶頸。

當前，14納米的芯片已經量產，這一尺度相當于頭發絲的七千分之一，這已經十分考驗制作工藝了。未來的改進空間正逐漸縮小。

此外，現代計算機遵循馮·諾依曼基本體系，該體系的硬件系統即由運算器、存儲器、控制器、輸入設備、輸出設備五大部件組成。這一體系助推了過去幾十年計算機的高速發展，但它要求數據存儲在內存、并依賴內存進行運算的思想，使得計算機的發展受到芯片的制約。

一方面是傳統計算機可以預見的發展瓶頸，另一方面是物聯網、大數據、人工智能帶來的對計算升級的需求。為了提升信息處理能力，研究人員或者發展多核芯片，或者探索有別于馮·諾依曼體系的架構，或超越經典物理世界開發新一代計算機，量子計算機就是后者的代表。

液態金屬讓高度靈活性、智能性和可控性的柔性計算系統成為可能

液態金屬以其獨特性能進入科學家的視野中。

不同于一般的導電介質，液態金屬在不同的環境下導電性也有差異。這一看上去微不足道的變化，在科學家眼中則有重大價值。

中科院理化所、清華大學雙聘教授劉靜是我國液態金屬研究的領軍人物，他和團隊驚奇地發現，溫度不同、氧化程度不同以及磁場強度環境不同，液態金屬的導電性會呈現出極大的差異。因此，就像通過對晶體管電壓的控制來構建運算基礎一樣，科學家可以通過改變外界的環境，借助對液態金屬狀態的控制，并以它在不同狀態下的導電差異作為可控的邏輯計算單元。

“比如，借助溫度調控裝置，改變液態金屬所處的環境溫度，使其在固液兩種狀態之間切換。因為固態和液態形態下電阻值不同，我們就可以把它理解為‘0’和‘1’的狀態，比如把固態狀態定為‘1’，液態狀態則為‘0’”。劉靜說，以此為基礎就能構建基于液態金屬的記憶與邏輯單元，甚至計算系統。

正因為這種特性，使液態金屬可以成為計算的核心邏輯單元，從而帶來革新傳統計算機的可能性。劉靜說，不同于傳統的電子計算機，從宏觀到納米尺度的金屬液滴，可以通過多種物理場效應，在液體環境下組裝出邏輯器件并對其進行編程。

傳統計算機以順序執行指令的方式運行，液態金屬構建的計算機，由于能通過多種方式同時進行編程，一次可同時執行多個指令，具有高度并行性的特點，因此運算速度上可能更快。液態金屬也具有更好的散熱性能，發熱量更小。此外，液態金屬還兼具流體的柔性、可任意變形的特征，能夠制作柔性的液體電子乃至半導體單元。

正如物理學家與計算機專家的預測，量子計算可能是新一代計算機的重要形式。液態金屬如何給量子計算機發展添薪加火？

與傳統計算機不同，量子計算機利用量子疊加和量子糾纏來實現邏輯運算。量子計算機的運算模式，決定了量子算法的上限和潛力遠高于經典算法。不過，劉靜認為，在核心的器件和物理實現方法上，當前量子計算機和傳統計算機一樣，都由固體的器件組成。比如，量子計算機的一種核心邏輯單元——超導隧道效應器件的結構一般由中間層和兩側構成，中間層是一塊絕緣的薄層，兩側為導電介質電極。

“理論上說，由于這些結構是固體的，形狀無法變形、分割，一旦制備出來，一般只能按其特定結構實現對應功能，應用可能受到限制。”劉靜說。

如果器件全部是液態將會怎樣？劉靜團隊為此提出了一種全液態量子器件和制備方法，發現由于液體的柔性和可變形性，表面易于達到原子級別的完美光滑度。同時全液態量子器件的中間液層的厚度可以通過力場、電場、磁場等多種物理場來調控，液膜間隙可達到極小尺度甚至完全消失，滿足實現量子計算機運行對尺度的要求。如此，整個系統要實現高度的靈活性、智能性和可控性就成為可能。劉靜認為，基于液態金屬的計算機架構，可能預示著下一代計算機的雛形。

在液態金屬研究上，我國處于領跑者地位

液態金屬被稱為人類利用金屬的第二次革命。當前基于液態金屬的重大變革性應用不少仍是暢想，但它拓寬了人類認知世界的邊界。

液態金屬與計算和智能的神奇聯系并非靈光閃現，而是基于科學家多年的持續研究。隨著對液態金屬機理認識走向深入，科研人員探索出了諸多應用方向。

2013年，劉靜團隊把液態金屬做成打印“墨水”，首次在紙上直接生成電子電路。一年后，研發出世界首臺室溫液態金屬打印機，為個性化定制化電路生產提供了解決方案。

2014年6月，針對斷裂神經修復難題，劉靜團隊利用液態金屬成功“搭橋”，建立信號通路，為人體神經功能修復重建提供了可能，打開了它在生物醫學領域的前景。

看過電影《終結者》的觀眾，一定對影片中可以任意改變外形、迅速恢復的機器人印象深刻。2015年3月，劉靜帶領研究小組，首次研發出自主運動的可變形液態金屬機器。

2016年，液態金屬機器人向前進化，能做出更復雜的運動。劉靜團隊發現，液態金屬不僅能“吃”，還能跑、會跳，甚至載物前行。“當前全球先進機器人研發競爭激烈，液態金屬打開了機器人的想象空間，有望成為機器人變革的重要引擎。”

當然，液態金屬離成為真正的“終結者”還很遙遠。“以自然界生物進化的觀點看，現在相當于培育出了細胞，要使之成為完整的仿生物體柔性機器人，還需要生長出肌肉、神經、骨骼等組織。”劉靜表示。

在液態金屬研究上，我國處于領跑者地位，是中國向世界輸出原創科研成果的代表。近些年，液態金屬研究從冷門逐漸成為國際上備受矚目的重大科技熱點。

“我國對液態金屬研究積累較深，國際上不少機構是在我們所開辟的方向上做研究，但一項重大的突破就可能改變既有的格局。一些發達國家實驗室憑借在學術話語上的強勢地位，也可能影響科學界的判斷，我們需要不斷用有分量的成果說話。”劉靜說。

“一類材料，一個時代。”劉靜認為，液態金屬作為一類特殊功能材料，已展示出引領和開拓重大科技前沿的特質，有望在電子信息、先進制造、柔性機器人、生物醫療健康等領域帶來顛覆性變革，并催生出一系列戰略性新興產業。“我希望國內外更多的優秀團隊參與進來，共同應對液態金屬研究面臨的重大挑戰。”

[責任編輯：楊凡、于國奇]

想爆料？請登錄《陽光連線》（ https://minsheng.iqilu.com/）、撥打新聞熱線0531-66661234或96678，或登錄齊魯網官方微博（@齊魯網）提供新聞線索。齊魯網廣告熱線0531-81695052，誠邀合作伙伴。