未来,你可以有 T-1000 一样的金属皮肤

不知大家是否还记得去年“阿尔法狗”（AlphaGo）与韩国棋手李世石的世纪大战？这是机器在围棋领域第一次战胜人类。两周前，谷歌DeepMind团队在《自然》杂志上刊登了他们的最新研究成果：名为“阿尔法元”（AlphaZero）的新机器系统仅训练3天就战胜了AlphaGo，被誉为围棋界“上帝之手”。人工智能的突飞猛进让人类看到了智能机器人时代的曙光，然而，想让科幻作品中的机器人真正走进现实，除了要让机器人的大脑学会“思考”，身体上也要感知这个世界。其中，高分辨相机让机器人拥有视觉；语音识别系统让机器人拥有听觉；而电子皮肤的出现，则让机器人有了知觉。

阿尔法狗大战韩国棋手李世石，图片来自网络

电子皮肤这一概念最早出现在上世纪七八十年代以《终结者》为代表的科幻作品中，其中T-1000型号的机器人身体可以任意变形，受伤后能自我修复，在固态和液态中随意切换，给观众留下了极为深刻的印象。与此同时，科学家们也开始对电子皮肤进行不断探索，因为除智能机器人以外，电子皮肤在仿生假肢、健康监测等领域也有巨大应用前景。电子皮肤的基本单元是柔性应变传感器。随着智能终端的普及，电子皮肤作为可穿戴设备在过去20年中得到蓬勃发展，许多高性能、多功能的电子皮肤被开发出来。然而，现有的应变敏感材料，由于导电性差、能耗高、制作工艺复杂、成本高等缺点，极大地限制了电子皮肤的实际应用。所以，寻找新型应变传感材料迫在眉睫。

影视作品中的智能机器人，图片来自网络

表面覆盖了电子皮肤的义肢 图片来源：Adv. Sci. 2, 1500169，（2015）

金属合金是人类最早开发并且至今仍在日常生活中使用最广泛的材料之一。然而，晶体金属合金的弹性极限范围很小，一般金属合金材料的弹性极限远小于<0.5%，这是金属材料应用在电子皮肤领域最大的短板。为了解决这一问题，。说来也巧，《终结者》中未来战士的这些神奇特性在现实生活中对应的材料，就是非晶合金，也称为金属玻璃或者液态金属。非晶合金是通过急速冷却的方法得到的，保留了金属液体无序的原子结构，因此弹性范围有了很大提高（>2%）,同时金属优异的导电性也得以保留。像终结者一样，非晶合金作为冻结的液态，当加热到熔化温度0.5到0.6倍时，可以转变为粘稠的液态，实现自愈合。

金属玻璃样品，图片来源：Materials today,7，36，（2004）

晶态合金有序的原子结构 VS 非晶合金无序的原子结构 左图来自网络

铈基金属玻璃在热水中可以弯曲变形，图片来源：PRL 94, 205502 (2005)

非晶合金皮肤是通过离子束溅射方法将ZrCuNiAl等非晶合金薄膜直接生长在柔性塑料（PC）衬底上得到的。非晶合金皮肤柔性好、很容易弯曲超过180度。通过选择不同大小的衬底，非晶合金皮肤的面积可以实现从几平方毫米到150平方厘米的连续变化。通过对非晶合金薄膜的厚度进行调控，非晶合金皮肤视觉上可以变“透明”。

非晶合金皮肤光学照片

对该传感器进行的压阻效应测试结果表明，非晶合金皮肤保留了金属材料高电导率（>5000 S cm^-1）、而且电阻与应变之间有完美的线性关系、稳定性好等特点。同时，与传统晶态金属材料相比，弹性范围有很大的提高（室温下的理论弹性极限为4.2%）。下面是非晶合金皮肤可以用来灵敏地监测手指弯曲程度的示意图，表明其在仿生学等方向有很大应用前景。该传感器还有极小的电阻温度系数（9.04×10^-6 K^-1），明显的抗菌性等特点。另外，非晶合金皮肤制备方法简单，制造成本低。综合以上这些特点，非晶合金皮肤的出现，有望推动电子皮肤的早日实际应用。

非晶合金皮肤用来监测手指弯曲程度的示意图

相信经过科学家和工程师们的不断努力，终结者终有一天会来到人类社会，届时它可能不再是“终结者”，而是人类的好伙伴！

来源：中国科学院物理研究所