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前言

液态金属的大量新奇物理化学特性，开辟了新的科技前沿领域，正催生出一系列一系列战略性新兴产业与科技前沿。作为先行者，以清华大学及中国科学院理化技术研究所为代表的我国科学家团队，引领了国际上这一领域诸多重大发现和底层核心技术突破，还提出并推动了中国液态金属谷与相应全新工业的创建，使我国在液态金属基础研究与应用上形成取得了全面优势。

液态金属

经过近20年的持续不断的努力，中国团队开创性地揭开了液态金属诸多以往鲜为人知的基础物质属性和重大用途，开辟了液态金属芯片冷却与能源利用、液态金属印刷电子学与3D打印、液态金属生物医学材料学以及液态金属柔性智能机器学等全新研究领域，所出版的系列原创著作为这些新兴学科的发展建立了相应的理论与技术体系，有关成果被认为是人类利用金属的第二次革命。

3D打印机

一

原始基础发现频出催生物质科学高活跃领域

清华大学与中科院理化所联合团队在液态金属诸多基础科学现象特别是可变形机器效应上的重大发现，改变了人们对于自然界传统材料、软物质、流体及刚体机器的固有认识，促成了一系列全新材料及器件的发明，液态金属机器人的研制也自此从科幻走入现实，相应发现在国际上持续引发广泛反响，触发了大量后续工作，这一领域已成学术高地和热点。甚至，对于近年来国际上密集重视的量子计算领域，该团队也从液态金属角度出发，率先提出了不同于传统刚体系统的全液态可变形量子器件思想，以及区别于经典冯?诺依曼计算机体系架构的液态金属计算机策略，可望促成全新计算方式和硬件系统的建立。这些工作也在一定层面上启示，具有广泛可拓性的液态金属物质科学正日益进入一个高活跃时期。在液态金属可控变形效应方面，清华大学与中科院理化所联合团队首次揭开了外场（电、磁、化学、力、热场、环境、基底材料等）作用下溶液中液态金属可在不同形态和运动模式之间发生转换的基础现象，如大尺度变形、自旋、定向运动、融合与分离、穿越窄缝与运动反转、射流、自由塑形、逆重力攀爬、交流电控共振行为、褶皱波效应、冲浪效应、蛇形变形效应、阿米巴变形虫效应、呼吸获能效应、化学分形效应、荧光液态金属变色龙机器，以及可漂浮于水上可大尺度膨胀的多孔液态金属等，被普遍认为是观念性的突破和重大发现，“预示着柔性机器人新时代”。

金属孔

清华大学与中科院理化所联合小组开创性发现液态金属自驱动机器效应，该工作在世界上首次揭示了一种异常独特的现象和机制，即液态金属可在吞食少量其他金属物质后以可变形机器形态长时间高速运动，实现了无需外部电力的自主运动，从而为研制实用化智能马达、血管机器人、流体泵送系统、柔性执行器乃至更为复杂的液态金属机器人奠定了理论和技术基础，也为制造人工生命打开了新视野，还促成了后续一系列液态金属触发的室温铝水反应低成本制氢技术的建立，相应工作同时对于发展超越传统的柔性电源和动力系统也颇具价值。液态金属自驱动效应奠基性论文在著名刊物《先进材料》(AdvancedMaterials)发表后，其Almetrics影响力指数在该刊以往所发表的全部论文中位列第一，这一论文也系年度该刊下载量最多的论文。上述发现入选了由两院院士投票选出的“年中国十大科技进展新闻”等。此外，团队还发现，采用注射方式可实现规模化快速制备液态金属微型马达，其呈宏观布朗运动形式，受电场作用时会表现出如微观电子一般的强烈加速效应；而磁场对液态金属马达会起到磁陷阱效应作用；同时，借助马达间碰撞、吸引、融合、反弹等机制，研究小组发现并命名了一种液态金属过渡态机器形式。

进一步地，中科院理化所与清华大学联合团队将相应工作推进到了更复杂机器的构建上，继而揭示出系列液态金属固液组合机器效应。在其首次发现的液态金属固液组合机器自激振荡效应中，实验揭示：经预先处理的铜丝触及含铝液态金属时，会被迅速吞入并在液态金属基座上作长时间往复运动，其振荡频率和幅度可通过不锈钢丝触碰液态金属来加以灵活调控。这一突破性发现革新了传统的界面科学知识，也为柔性复合机器的研制打开了新思路，还可用作流体、电学、机械、光学系统的控制开关。该联合团队发现的其它固液组合机器效应还包括，金属颗粒触发型液态金属跳跃现象，纳米颗粒驱动液态金属流动、变形并对此予以示踪的效应，基于热学、化学反应及电控变形原理驱动液态金属的双流体机器人，液态金属焊接纳米颗粒效应，液态金属可在外加电场或化学物质激励下吞噬微/纳尺度金属颗粒的胞吞现象等，以及可实现运动起停、转向和加速的磁性固液组合机器等；而采用电控可变形旋转的“液态金属车轮”，还可驱动3D打印的微型车辆，实现行进、加速、载货及更多复杂运动，《化学世界》（ChemistryWorld）为此撰文“小机器，大进展”。固液组合机器效应的发现和技术突破，使得液态金属机器有了功能性内外骨骼，将提速柔性机器的研制进程。

由于显著的科学突破性，中国团队的众多发现被Nature、NatureMaterials、ScienceNews、NewScientist、Discover、Phys.org、ChemistryWorld等广泛评介。众所周知，近年来崛起的柔性机器人技术在国防安全、工业生产及社会生活方方面面的重大战略价值已日益凸显，比如美国国家基金会NSF于年设立的软体机器人项目经费仅单项就高达万美元。业界普遍认为，液态金属可变形机器效应的发现为研制未来全新一代的柔性机器人提供了崭新空间和前所未有的机遇。

二

在重大战略与新兴技术领域

形成理论与技术体系

高端芯片长期受制于“热障”的难题，此前，工业界数十年来主要沿用空冷、水冷及热管散热，但技术难于取得突破。中国团队发现，液态金属为高密度电子芯片、光电器件及国防领域极端散热需求开辟了全新途径。刘静小组针对计算机芯片研制液态金属散热器的研究论文业界著名刊物ASME会刊《电子封装学报》年度唯一最佳论文奖。该刊主编、美国纽约州立大学宾汉顿分校副校长巴贾特?萨玛奇亚（BahgatSammakia）教授致信称赞：“该奖每年仅颁发一次，由全部论文公开竞争产生，所以这是一项重要成就。”

经过多年努力，中国团队开创性建立了一系列有着重大观念突破性意义的液态金属芯片冷却模式，发明了自然界最高导热性液态物质——纳米金属流体及热界面材料，以及高导热、电绝缘的液态金属复合材料，研发的计算机中央处理器散热器规模化进入市场，并将液态金属拓展到广泛热控与能源利用领域，构建了相应的理论与技术体系。有意思的是，在中国团队提出液态金属冷却芯片技术10多年后，美国国家宇航局（NASA）于年将“液态金属冷却”列为未来前沿技术。

电子芯片

在先进制造领域，增材制造被普遍认为“第三次工业革命”的重要引擎。中国团队从原始的学术理念出发，创建了有新工业意义和普适价值的液态金属印刷电子学与室温金属3D打印方法，打破了个人电子制造技术的瓶颈和壁垒，被认为有望改变传统电子及集成电路制造规则。在重大装备方面，刘静团队研发出世界首台液态金属桌面电子电路打印机，以及液态金属喷墨打印设备，前者将以往只能在投资高昂的超净间及工业生产线上完成的电子制造推进到桌面化个人制造层面，后者则使得电子制造可在任意固体材质表面进行，从而将树叶、布料甚至皮肤等也变身为电路板，极大拓宽了传统电子工程学的应用范畴；与此同时，该团队还率先提出并研制出金属3D液相打印、悬空打印及功能器件混合打印系统等。这些技术使得从一维、二维到三维乃至任意固体材质表面的个性化功能电子制造成为可能，为我国在变革性增材制造领域积累了优势。系列成果被《麻省理工科技评论》（MITTechnologyReview）、《科技纵览》（IEEESpectrum）、ASMEToday、Phys.org、ChemistryWorld等数百国际科学杂志或专业网站专题评介，业界普遍认为：“找到室温下直接制造电子的方法，意味着打开了极为广阔的应用领域乃至通过家用打印机制造电子器件的大门。”中国团队首台液态金属桌面电子电路打印机成果入选美国《大众科学》(中文版)年T创新奖，中关村十大科技创新成果，入围美国科技界奥斯卡RD奖（全球名）；入围两院院士评选中国十大科技进展新闻（全国20名），中国工程院院长周济院士为此致函称赞：“成果对该领域工程科技发展将起到巨大的推动作用”。

在生命科学与健康领域，清华大学与中科院理化所联合团队首次提出并创建液态金属生物医学材料学的全新领域，为系列重大医学难题的解决提供了变革性方案。他们首创的液态金属神经连接与修复技术，被业界认为是“令人震惊的医学突破和科学突破”，在全球范围引发重大反响，相应工作曾一度被Google上千万条目直接或间接转引和报道；该团队创立的液态金属血管造影术，被业界认为提供了“前所未有的细节”、“采用相对简捷的方法解决了无比复杂的问题”、“革新了我们对于自身的认识”。该团队其余一些典型的原创性工作还包括，液态金属可注射骨骼与皮肤电子学、注射电子学等。成果被众多国际科学杂志如NewScientist、MITTechnologyReview、IEEESpectrum以及电视新闻FoxNews、Discover、Reuters等专题评介。

三

确保重大研发和产业化方面国家优势的建议

液态金属是我国在开创性基础发现、应用研究乃至产业推进方面处于世界领先地位的战略性高科技领域，对社会生产及国防应用价值极为显著而广泛。在该领域成为国际热点之际，中国团队已在十分有限的条件下经过十多年的持续努力，申报了数百项发明专利，发表了数百篇研究论文，出版了系列填补学术文献空白的中英文著作，建立了相应的理论与技术体系，初步探明了有关新工业的发展路径，大量研究在国际上持续引发重大而广泛的影响，超前优势十分明显。

“一类材料，一个时代”。可以说，液态金属正为大量新兴的科学与技术前沿提供了广阔的研究空间，是中国有望对世界作出引领性、开拓性贡献的重要领域。该领域已进入快速发展期，国际竞争态势日益加剧，为确保我国持续保持领先地位，亟待国家层面的整体部署和协同推动。建议如下：

1

科技研发

把握历史机遇、利用已有基础，在人力、物力、财力和产业政策等方面给予全方位支持，在中国打造世界级液态金属科学与应用中心，开创全新的工业应用技术体系，并培育带动各有关新兴科技发展。

2

产业市场

围绕中国液态金属谷与相应产业建设，适时设立国家和地方性产业基金和扶持政策，加快产业集群部署，推进各有关制造业转型升级和跨越式发展，同时引导新产品的规模化应用，确保前沿技术研发、产品试错及全新市场构建之间的良性循环。

3

战略研究

液态金属研究正为许多科技领域的变革性发展创造巨大机遇，宜尽快启动对应的软课题和战略研究，深入评估这一新兴领域对于能源、电子信息、先进制造、国防应用、柔性智能机器人以及生物医疗健康等领域的意义和作用，推动国家尖端科技水平提高，促成全新工业体系的创立，为人类文明进步做出贡献。

传统金属加工

作者简介

刘静

刘静，清华大学医学院生物医学工程系教授，中国科学院理化技术研究所双聘研究员。长期从事液态金属、医疗仪器及工程热物理等领域交叉科学问题研究并作出重要贡献。主要荣誉包括：3年国家杰出青年科学基金获得者；获国际传热界最高奖之一“TheWilliamBegellMedal”；入选CCTV年度十大科技创新人物等。

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