《终结者》液态金属机器人成现实？中国液态金属3D打印研究先驱——访中科院理化技术研究所双聘研究员、清华大学生物医学工程系刘静教授

1991年，电影《终结者2》中出现了一款机器人T-1000。用液态金属制造的机器人不仅可以随意改变形态，甚至遭受巨大损伤都可以瞬间自动修复。随着科学技术的发展，以前这种只存在于科幻电影中的设想有可能成为现实。

所谓液态金属通常是指在室温附近或更高一些常温下呈液态的金属，也称低熔点金属，如镓基、铋基金属及其合金等。此类金属在常温下可流动，导电性强，热学特性优异，易于实现固液转换，它还能一次成型，由此免去了繁琐的加工程序，可以说仅用单项材料就能将诸多尖端功能材料的优势集于一体，突破了许多领域传统技术的应用瓶颈，由此打开了极为广阔的应用空间，将大大助推许多颠覆性技术与装备的发展。作为一种“潜力巨大”的新材料，液态金属在3D打印领域也是“大有作为”。针对液态金属的研究近年来逐渐增多，尤其是中国的研究更为突出并取得不错的成果。而走在该领域前沿的当属中国科学院理化技术研究所双聘研究员、清华大学生物医学工程系刘静教授所带领的研究团队。

本期《3D打印世界》杂志对话刘静教授，看看他是如何“跨界”玩转液态金属3D打印的。

传热研究到3D打印“跨界”顺其自然

1987年，刘静教授被清华大学热能工程系燃气轮机专业录取。大二下半学期，他选择了物理系现代应用物理专业作为第二学位。1992年，他同时获得清华大学热能工程系燃气轮机专业工学士学位及物理系现代应用物理专业理学士学位，同年直攻博士，在导师建议下专攻生物传热学。拥有物理学、工程学和生物学多重学术背景，刘静教授表示，研究液态金属3D打印是顺其自然。

早在2001年，计算机芯片散热仍是工程热物理领域的一大难题。由于高端计算机芯片表面热流密度可与太阳表面媲美，使用普通的水是很难解决这个问题的。刘静教授开始寻找一种能让计算机芯片快速散热的方法，在多次的尝试后，他发现液态金属具有超高的导热性，且沸点高，在高达2000°C的温度时仍处于液相，不会像水那样沸腾乃至爆炸，可作为理想的冷却液将集成电路里的热量快速导出，从此开启了液态金属领域的研究。刘静教授表示，液态金属用于计算机芯片冷却原属工程热物理的范畴，但同时也与电子、信息以及更广领域息息相关，以致在后续研究过程中逐步延伸出印刷电子学和3D打印。

在早期的一次实验中，刘静教授无意中将液态金属溅到了电脑屏幕上，他用纸和抹布怎么都擦不掉。这事引发了他对液态金属是否可以应用在电子领域的思考。考虑到液态金属具有导电性，利用这种“擦不掉”的特性，刘静教授认为这种材质可以用于印刷电子电路的制造。起初，采用液态金属印刷电子电路只是在二维平面，随着研究不断深入，逐步形成三维打印立体电路乃至复杂金属对象，液态金属3D打印这项技术应运而生。

由于液态金属起初是用于印刷电子电路，不少人都对将这项技术归类为3D打印抱有疑问。面对这样的疑问，刘静教授表示这项技术当属3D打印的原因有两个。一是液态金属3D打印可以制造常规金属3D打印所能制造的任何复杂结构，甚至实现4D打印——由于液态金属在常温环境下易于实现固液转化或其他变形，所以可通过电场或磁场等控制金属变形。二是液态金属3D打印事实上超越了常规的3D打印，是一种功能性3D打印技术，可以直接打印出电子元件。常规金属3D打印是很难制造出三维立体电路的，但液态金属3D打印不仅可以制造，还可以在各种不同的表面上打印功能元件，甚至在人类皮肤上也可成行。

常规金属3D打印由于采用的是熔点高达数百度甚至上千度的金属耗材，往往需要使用高功率激光或能量束成型，成本昂贵。如使用液态金属成本可以大大降低，提高了制造速度，因为液态金属在3D打印过程中原材料是液态形式，但打印堆积起来就会固化。且液态金属的熔点较低，可以与其他材料一并打印，如3D打印无人机，含有金属和非金属的结构，使用液态金属3D打印可以一气呵成。液态金属3D打印还可以打印到不同的凝胶里面，实现悬空打印，形成可拉伸变形的柔性电子。这是液态金属给传统制造和增材制造带来了颠覆性的变革，却曾被世人所忽视。

摸着石头过河终走在世界前沿

早些年由于知识和技术的缺乏，国内外科学研究进展缓慢。印刷电子的概念很早就被提出，但却花很长的时间才解决了墨水的问题，计算机芯片散热同样花费很长时间解决驱动的问题。科学研究的过程就是不断推进和深入的过程，逐渐才被人所熟知，前沿科学研究更是如此。刘静教授将前沿科学研究形象地比喻为“摸着石头过河”，他所带领的研究团队在液态金属3D打印领域的研究历程更是艰辛。

在很长的一段时间里，西方国家在很多学术研究上均处于领先地位，而中国大多只能追随。但在液态金属这个领域，情况恰好相反。刘静教授带领的研究团队在无前人可借鉴的情况下，经历漫长无人问津的黑暗研究期。纵使多数旁人都无法理解，但他们依然坚守在前沿科学研究的“第一线”。

2008年，刘静团队应邀参展2008上海国际工业博览会，他们研制的面向计算机CPU应用的液态金属散热器样机获中国国际工业博览会创新奖。至此之后，刘静带领团队在液态金属的研究愈发深入，并屡获硕果。2011年，针对第一代商用计算机CPU液态金属散热器的研究，获美国机械工程师学会会刊《电子封装学报》年度唯一最佳论文奖，引起国际上相关领域的关注。2012年，刘静教授及其学生发表了一篇长达30页的前瞻性英文论文，首次原创性地提出并系统阐述了基于液态金属及其合金直接制造电子乃至集成电路的技术思想，标志着一个全新领域的开始；2013年我国在印刷电子学领域取得重大理论和技术突破，刘静团队在《科学报告》上首次报道了所研制的液态金属桌面3D打印机原型，可实现导电墨水与封装材料的同时打印，成果迅速被国际上众多科学媒体广泛报道；同年，该团队首次展示了极具普适意义的可在任意材质表面绘制电路的液态金属喷墨打印技术，一石激起千斤浪，这种被麻省理工《技术评论》赞誉为梦幻般的技术，在全球范围引发重大反响，业界认为：“围绕在不同表面打印电路的竞赛可以终结了”；2014年，该团队成功研制出世界首台液态金属桌面电子电路打印机并公布于《科学报告》，此项突破为个性化电子制造技术的规模化应用奠定了坚实基础，成果入围素有全球科技界创新奥斯卡之称的R&D 100 Award Finalist；同年度他们发表的在3D打印领域有标志性意义的工作还包括：“液态金属液相环境3D打印”、“液态金属混合打印技术”等。2015年3月，团队在Advanced Materials上发表了题为“Self-Fueled BiomimeticLiquid Metal Mollusk”(2015)的研究论文，迅速被New Scientist、Nature研究亮点、Science新闻等上百个知名科学杂志或专业网站专题报道，在国际上引起重大反响和热议，成果入选2015两院院士评选中国十大科技进展新闻。2016年，继研发出自主运动的可变形液态金属机器之后，他们再次发现液态金属具有类似细胞吞噬外界颗粒的“胞吞效应”，这使得造出“终结者”材料成为可能。同年，在云南举办的“第二届液态金属产业技术高峰论坛”集中展示了100多种新产品，科技进步成果一跃国际领先水平。2017年，他们发表论文首次报道了“液态金属悬浮 3D 打印”的概念和方法，可在室温下快速制造具有任意复杂形状和结构的三维柔性金属可变形体并用于组装立体可拉伸电子器件。

最早，全球只有三五个实验室专注于液态金属方面的研究，经过了十多年的知识与技术积淀，如今已经发展成上百个实验室在研究液态金属。而中国作为液态金属领域的先行者和探路者，研究从2000年开始酝酿，此后长达十多年的摸索前进，终将迎来爆发期。近些年来中国液态金属的研发推进十分迅速，未来有着广阔的科研发展空间，世界范围内液态金属科学研究与工业应用的重心正逐渐形成于中国。中国不仅发现和建立了最基础的原理知识、技术思想与设备路线，不少最早的底层核心专利也出现在中国，在液态金属领域的研究发展速度随着相关学术成果的出现和应用的推广在不断加快。这其中刘静教授所带领的团队所付出的努力功不可没。该团队的研发成果在入围2014两院院士评选中国十大科技进展新闻（全国20名）时，中国工程院曾为此致函称赞，“成果对该领域工程科技发展将起到巨大的推动作用”。

使命感推动 向世界展示中国智造

作为一项前沿科学技术，液态金属3D打印近几年才为人们所知，真正应用的企业更是少之又少。刘静教授表示，与科研领域的模式一样，一贯走在世界前沿的西方国家发明一种全新的技术后，会逐步把市场定义好，之后社会逐渐了解、理解并进行应用后。由于历史的原因，欠发达国家产业大多是跟踪性的，通过不断复制并局部地改进来获得市场，这也是过去不少国内企业遵循的发展路线。但液态金属领域完全推翻过去的模式，企业做出来的是在世界范围也均属全新的产品或应用，期间需花费大量时间来进行研发和推广。目前，液态金属3D打印应用方面还是属于开拓阶段。这个领域是刚性需求，尽管中国在这领域是走在世界前列，知识与技术储备已经相对充分，但由于市场上还没有相关产品，所以人们也都不知道该如何进行应用。国内企业有这方面意识或需求的，往往都是不知道从何下手。因此，还需进行市场教育和市场开拓，鼓励国人进行大规模的应用，技术实现应用后可反向推动这个领域的进步。

“蜀道之难，难于上青天！”液态金属3D打印推广应用何尝不是呢。刘静教授表示在推广应用过程中最大的困难是资金短缺的问题。尽管桌面液态金属3D打印的出现对业界而言意义重大，但是到目前为止这个领域的研究申请国家级基金支持还没有前例。这些科研项目大部分是通过自筹或风险投资的方式筹集资金。然而，液态金属3D打印技术这类前沿科研项目由于无前例可借鉴，风险投资可能对这类项目也抱有不确定，甚至不理解的态度。有限的资金直接导致人力的缺乏，极大程度地限制项目推进的速度。该团队为了能让这项技术真正的“落地”，这些年主要是通过与企业合作的方式，将一些技术成果交付给他们，实现技术的应用推广。但在与企业合作过程中，刘静教授发现这样的合作方式效率偏低，一方面是考虑到实验室不仅要研发技术，甚至要研发产品，另一方是考虑到企业在技术方面偏弱，可能导致双方衔接效率低。

乘着一系列国家政策的“东风”，刘静教授于2014年创建了北京梦之墨科技有限公司（下称“梦之墨”），实现覆盖从研发到产业到应用的整个流程。如今，实验室研发出新技术可以直接通过内部实现产业化，聚集了大批拥有对产品的制造和推进产业化的优秀人才。

刘静教授谈及研发世界首台室温液态金属3D打印机以及成立梦之墨的初衷时表示，一是科学研究进行到一定阶段就会逐步转向应用，可谓顺势而为；更重要的是心中使命感驱使。作为一名前沿科学研究者，刘静教授希望研发出为人类生活生产方式带来颠覆性改变的技术，而中国也能创造出可供全世界广泛使用的技术。尽管人们可能不理解所谓的前沿科学，甚至发出质疑的声音，但刘静教授表示，前沿科学技术的出现未来终将改变人类生活与生产的方式，推进人类文明进程。这也是3D打印被称为“第三次工业革命的标签”的原因，正是因为这项技术改变了人类原有的生产方式。

经过十多年的知识积累和不断试验，液态金属3D打印终将走进应用行业中。鉴于液态金属材料的特性，它在诸多领域都可“大展身手”。在热控领域，液态金属制作导热膏，用于芯片冷却和电脑器件散热，其沸点高、传热快，与传统材料相比，导热性有了量级的改变；液态金属制造的散热器可以解决热障这一传统材料无法解决的世界性难题，并已形成其独特的理论和技术体系。在电子领域，液态金属可以作为墨水用于3D打印，直接生成电子电路，与传统的金属相比，其打印温度和设备成本均大幅降低，并且制造时间缩短，可实现个性化定制。在医学领域，液态金属与人体有良好的生物相容性，可以将神经电信号连通，用以修复断裂神经。在机械领域，与传统的聚合物材料相比，液态金属自驱动、可变形、能跑会跳，为研发柔性机器人提供了路径。但液态金属3D打印目前还未广泛应用，在知识技术储备充足的情况下将逐步根据产业需求推进实现商业化。

刘静教授还介绍了一些令人惊叹的研究工作：液态金属3D打印可应用在生物医疗领域。液态金属可借助在体3D打印方式直接注入人体形成植入电子。由于金属本身的导电性，可用作心脏起搏、脑起搏方面；另外就是应用在骨科和齿科，注射的是液态的材料，进入人体内后固化，原位将受损的骨骼修复，甚至可实现再以液态形式抽取出来。目前这样的构思已经开始了前沿研究，发表了系列原创论文，相信不久的将来就可成真。

或许不少人都对这项技术未来是否能真正造福普通百姓抱有怀疑的态度。但刘静认为前沿科学技术就是着眼于未来，未来制造的核心将是功能化制造。正如互联网的兴起，科技的进步，“去中心化”的效应不断被强化，人们获取资讯的渠道更多元化，机会也相对更加平等。而液态金属3D打印技术也是如此，为未来人类社会提供了一种不受时间、空间乃至成本限制的功能化制造的机会。依靠这项技术，未来工厂的模式将被颠覆，人们将无需再依靠工厂大批量生产电子，可以直接根据自身需求进行定制。且液态金属这种材料“前途”无限，未来的应用领域更是超乎我们想象。刘静教授谈及3D打印未来发展趋势时提到，“3D打印未来可能发展成为与如今人们所理解的3D打印不一样的技术。未来的3D打印是功能制造，人们所需要的功能可以打印出来；未来的3D打印是大规模单件生产，成本人人可承受，功能化满足人们各方面的需求；未来的3D打印是个性化制造，人们无需大量库存，可根据自身需求随时下单或自行制造”。

3D打印这项技术起源于美国，起初由于成本过于昂贵难以推动应用，金属3D打印技术也只是应用在工业和航空航天业。随着科技和社会的进步，3D打印的成本将逐步降低，应用将越来越广泛。而推动3D打印技术发展最不可缺的正是像刘静教授带领的团队那样孜孜不倦坚持在研发一线的科研人员，相信他们终将实现“与世界分享中国的研发成果”的梦想。

本文来源于《3D打印世界》第39期，转载请注明来源

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