在1946年，美國賓夕法尼亞大學(xué)推出世界上第一臺通用計算機以前，沒有人能想象出實現(xiàn)大型計算的機器該長成什么樣子。它是方還是圓，是長還是短都是一個謎。隨后，當它真正出現(xiàn)在現(xiàn)實中時，人工幫助下的“進化”開始了！七十年，它從龐然大物變?yōu)椤罢浦袑殹保瑥淖畛醯挠嬎愎ぞ咦優(yōu)槿四X思維的輔助工具。如今，美國賓州卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)的機械工程師們又提出：柔性計算機將成為現(xiàn)實！


據(jù)外媒《物理科學(xué)》官方網(wǎng)站11月3日報道，來自卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)的機械工程師卡梅爾·馬杰迪和詹姆斯·魏斯曼是液態(tài)金屬領(lǐng)域的杰出研究者。他們發(fā)現(xiàn)用液態(tài)合金能夠制作出晶體管，從而讓更多電子元件實現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)化。

長久以來，科學(xué)家們一直試圖創(chuàng)造出更具有可塑性的電子器件，可穿戴設(shè)備就是一個典型例子。隨著科技的不斷進步，人們越來越希望智能AI和機械力量能夠在彼此融合的前提下，保持無處不在的特性。計算機所擁有的那些強大功能逐漸向手機上轉(zhuǎn)移，而手機的智能也在影響著交通工具、家居設(shè)備、辦公場所的一系列轉(zhuǎn)變。谷歌眼鏡雖然并不成功，但卻打開了想象的窗口——倘若晶體管能夠改變形態(tài)，那么如今看似不可能的一切都會發(fā)生。

那么晶體管是什么呢？它其實是一個處理信號和數(shù)據(jù)的微型器件。傳統(tǒng)意義上，作為一種固體半導(dǎo)體器件，它具有檢波、整流、放大、開關(guān)、穩(wěn)壓和信號調(diào)制等多種功能。不管是筆記本電腦、智能手機還是日常使用的數(shù)字溫控器，都要用到它。可以說，它幾乎是每個電子設(shè)備背后的核心元件。正是晶體管在發(fā)展中日益縮小體型，才有了如今的輕薄型筆記本電腦。

面對如此強大的元件，科學(xué)家們自然不會放過任何一次改進機會，兩位機械工程師就試圖用新方法創(chuàng)造出柔軟到能夠變形的“流體晶體管”。尋找新材質(zhì)是第一步，但像銅或銀等硬質(zhì)金屬，或汞這類有毒的液態(tài)金屬都已被排除在外，研究者使用了稀有金屬中的銦和鎵制作出一種混合的液態(tài)合金，能夠直接注入橡膠內(nèi)部，讓電路像皮膚一樣，柔軟又具有彈性。

研究小組從對毛細管的不穩(wěn)定性研究中得到了啟發(fā)

原來，常溫常壓下銦的熔點為156.61攝氏度，非常軟，比鉛的硬度低得多，用指甲就能刻痕。而鎵的熔點僅為29.78攝氏度，常溫常壓下就是液態(tài)，同時還具有穩(wěn)定固體的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。研究者們在與北卡羅來納州立大學(xué)的科學(xué)家邁克爾·迪基的合作中，發(fā)現(xiàn)液態(tài)金屬不僅可以用來制作柔性電路，還具備做電氣開關(guān)的功能。

在新型的“流體晶體管”中，打開或關(guān)閉兩個液態(tài)金屬液滴之間的連接就能實現(xiàn)開關(guān)功能。在電路兩端，若有一端電壓降低，金屬液滴就會相互運動并融合成一體，形成導(dǎo)電的“金屬橋”，若兩端電壓相等，金屬液滴就會自動斷開，電路就不再通電。

外媒指出，這種對“黏糊糊”金屬的利用方式潛力無限，從本質(zhì)上講，“流體晶體管”是一種更加復(fù)雜的開關(guān)，而液態(tài)合金金屬能在無毒的前提下實現(xiàn)柔性控制電路，且只用少量電壓就成功模仿了傳統(tǒng)晶體管的特性。

本項目的研究論文已發(fā)表于雜志《高級科學(xué)》中，工程師卡梅爾·馬杰迪在論文中表示，研究小組從對毛細管的不穩(wěn)定性研究中得到了啟發(fā)。在生活中，人們常常會看到，打開水龍頭，在流量變?yōu)闃O低的過程中，水會發(fā)生從穩(wěn)定流到單液滴的轉(zhuǎn)變。這種性質(zhì)有個學(xué)名，被稱為瑞利泰勒不穩(wěn)定性。

研究者只需找到誘導(dǎo)液態(tài)合金金屬液滴產(chǎn)生這種不穩(wěn)定性的方法，就能解決“流體晶體管”內(nèi)液滴在一滴狀態(tài)與兩滴狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換問題。

一旦材料可以用編程來改變結(jié)構(gòu)，那么其功能也會隨之改變

馬杰迪和同事在對氫氧化鈉溶液的液滴進行一系列測試后，發(fā)現(xiàn)液滴的不穩(wěn)定性可以被外部電壓和電化學(xué)反應(yīng)之間的耦合反應(yīng)所驅(qū)動。原理是，耦合反應(yīng)會引發(fā)液滴表面產(chǎn)生氧化梯度，從而引發(fā)液滴的表面張力產(chǎn)生梯度，最終使一個液滴轉(zhuǎn)化為兩個液滴。

馬杰迪指出，試驗中，兩個液滴就類似于“流體晶體管”中的源極和漏極，借助場效應(yīng)原理，就能通過編程來連接和斷開電路，甚至還能用來創(chuàng)建和重構(gòu)物理電路！

但凡能通過編程來改變材料應(yīng)用，那么方法幾乎是無窮無盡的。而一旦材料可以用編程來改變結(jié)構(gòu)，那么其功能也會隨之改變，甚至能夠重組內(nèi)部組織，以修復(fù)自身在極端環(huán)境下受到的損壞。研究者們暢想，未來液態(tài)合金制成的“流體晶體管”將會用在那些需要巨大物理結(jié)構(gòu)變形的制造領(lǐng)域，比如，一架仿生的鳥形飛行機器人。以液態(tài)合金為血脈筋骨的機器人，無論是收縮還是張開翅膀，機翼上的電路都能隨之變形，重新配置，保持正常工作的運行，不受形態(tài)變化的影響。

顯然，新的電子元件和合金材料也適用于制造液體計算機，科學(xué)家們甚至提出將未來的液態(tài)計算機與生物材料相結(jié)合，從而以更直接的方式了解人體內(nèi)部的情況，比如仿生義肢等。它們能直接與人體組織接觸，既能充當疾病監(jiān)測器，也能幫助患者恢復(fù)殘疾部位的功能。

此外，部分搜索和救援類型的機器人也可以用它們來取代部分零件，這樣在受到損壞時，就能自我更新電路，從而提高工作效率，就像《終結(jié)者》系列電影中的反派角色，機器人T-1000一樣。外媒稱，雖然這些暢想目前聽起來還像科幻小說一樣，但終有一天，柔性計算機會變得像今天的超薄筆記本電腦一樣，隨處可見。

2017-11-23  來源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察

文章關(guān)鍵詞： 韋爾股份  香港華清電子(集團)有限公司  液體合金制造晶體管