变形机器长期以来一直是科幻小说的主要内容——这是有充分理由的。想想1991年的电影《终结者2:审判日》中邪恶的杀人机器的力量吧。当液态金属T-1000到来时，英雄们很快意识到他们有两个大问题:首先，他们的敌人可以变形，把人类的附属物变成致命的刀片。其次，在机器上吹洞几乎不会减慢它的速度;它可以自愈!

自我修复的机器已经在我们身边了。当然，现实与T-1000并不完全匹配，但科学家们发现，虚拟机器的两种能力是密切相关的。斯坦福大学的化学工程师鲍哲南说:“产生自我修复材料的基础科学是允许它们改变形状的相同行为。”近几个月来，科学家们开发出了一种新型材料，具有愈合和变形的能力，以及其他技能。研究人员已经使用这些物质来构建新型电子产品，应用于机器人、生物电子接口、可穿戴设备和先进的显示器。这些机器也可能比那些由硅和金属等传统材料制成的机器更环保。

研究自我修复材料的科学可以追溯到近两个世纪前，但它真正起飞是在20世纪70年代。从那时起，研究人员开始研究聚合物的自我修复潜力，聚合物是由重复部分组成的大分子，就像一条链由链接组成的方式。一个分子的主聚合物链或“主链”的组成决定了一系列的性质，包括分子的韧性或弹性。一些可愈合的聚合物需要一个触发器，比如暴露在特定的温度、光或压力下，来重新编织它们断裂的键。有些则是自愈。这些“动态”聚合物使用的分子键比大多数稳定分子中的分子键更弱。例如，许多动态材料是由氢键结合在一起的，其中带正电的氢原子吸引其他带负电的原子。卡耐基梅隆大学的机械工程师Carmel Majidi说:“氢键的优点是它是自发的。”“你不需要熔化或加热材料;它们只是在接触时形成这些键。”

弱键赋予这种材料有趣的性质。“它看起来像一个固体。如果你快速拉伸它，它会像固体一样断裂。但如果你拿着它，它就会像液体一样滴下来。”“分子不是固定的，所以这些聚合物网络不断形成和分离。”这种滥交是允许自我修复的。“当我们破坏这种材料时，化学键就会断裂。但是当你把这些碎片放在一起时，这些氢键很容易形成，材料恢复了它的机械性能，”包说。

同样的原理也是可伸缩电子学的基础。鲍说:“这些动态键允许我们将材料拉伸到原始尺寸的数百倍，因为这些键可以断裂和重组。”使用不同强度的多种粘结，可以制造出既柔韧又坚韧的材料。

然而，在电子产品中使用的材料还需要其他特性。首先，它们必须是良导体。然而，大多数聚合物都是绝缘体。一种解决方案是在聚合物中加入金属颗粒、纳米线或碳纳米管，以使可拉伸材料具有导电性。Bao和她的同事们利用这种方法构建了自我修复的“电子皮肤”，这种皮肤与身体相适应，能够感知压力和张力，并测量心率。

另一个解决方案是液态金属。在今年早些时候发表的一项研究中，马吉迪和他的同事将液体合金微滴引入点缀着银片的聚合物凝胶中。由此产生的材料具有可拉伸性、自愈性和导电性，足以为软机器人的电机提供动力。马吉迪说:“最终的目标是建立包含生物组织所有特性的电子和机器人系统，不仅是功能，还有弹性和自我修复。”

这些自适应材料是简单的导体。研究人员还在开发具有其他电子特性的类似弹性材料。它们包括导电性随温度升高而增加的半导体，以及介电材料，介电材料是在电场中改变其电荷特性或“极化”的绝缘体。研究人员已经成功地将这些不同的材料结合在一起，制造出可修复的晶体管、电容器和其他电子元件。马吉迪说:“有各种各样的材料功能可以用于软机器人或可穿戴电子产品。”“我们利用热电将热量转化为电能，所以如果有一件热电服装，它可以在损坏时恢复其能量收集能力，那就太棒了。”寻找这样的现实应用是Majidi目前的重点。他说:“现在我们已经克服了许多瓶颈，这是下一个重要步骤。”

Benjamin Tee是新加坡国立大学的工程师，他认为自我修复的电子产品将对环境大有裨益。他说:“自我修复对减少电子垃圾有很多意义。”“有没有一种未来，如果你把手机摔了，它还能自我修复?”在2020年发表的一项研究中，Tee和他的同事开发了一种可拉伸的透明介电材料，用于发光电容器。他们利用这种材料制造了一种能够产生明亮照明的装置，比以前的可拉伸光电子器件所需的功率要小得多。因此，它在人机界面中使用寿命更长，也更安全。它也能在受伤后自愈。“它可以恢复接近100%的原始亮度，”Tee说。该团队展示了一个柔软的机器人抓取装置，通过检测反射光来感知黑暗中的物体。其他潜在的应用还包括近乎无懈可击的柔性屏幕、可穿戴设备等。

随着时间的推移，更多的组件将获得自我修复能力。“圣杯是拥有一个可以自我修复的完整电子系统，”Tee说。这一设想更接近T-1000，但一个主要障碍是复杂的电子设备需要多层。当这些设备被损坏时，这些层通常不再对齐，导致电路故障。

在今年春天发表的一项研究中，Bao和她的同事提出了一个解决这个问题的潜在方法。他们使用了两种不同的聚合物，这两种聚合物的骨架不会混合，但它们的氢键相同，可以使层粘合在一起。“它们不喜欢混合，就像油和水一样，”包说。“但我们在每一边都有分子，让它们在界面上粘在一起。”研究人员将11层交替堆叠，形成了70微米厚的薄膜(略多于一美元钞票厚度的一半)。为了测试它的能力，他们把薄膜切成两半，导致层不对齐。然后他们将材料加热到70摄氏度，这些层会自己重新排列。

该团队在一个自我调整压力传感器和一个软机器人上展示了这项技术，软机器人的组件通过磁力大致组装，然后通过加热在微观上排列。研究人员还没有在复杂的电子产品中证明它，但这项研究使其应用更近了一步。鲍说，团队成员已经在研究不同的功能材料，更薄的层和更复杂的层状结构。

正如经常发生的那样，科幻小说正在慢慢变成现实。但希望未来的变形自我修复机器不会像T-1000那样咄咄逼人。

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