變形機器長期以來一直是科幻小說的主要題材——這是有充分理由的。想想1991年電影終結者 2：審判日中邪惡的殺人機器的力量。當液態金屬T-1000出現時，英雄們很快意識到他們有兩個大問題：首先，他們的敵人可以變形，將人形的肢體變成致命的刀刃。其次，在機器上打洞幾乎無法減緩它的速度；它可以自我修復！
自愈機器已經存在於我們之中。當然，現實與T-1000並不完全相符，但科學家們發現，虛構機器的兩種能力密切相關。“產生自愈材料的基本科學原理與使它們能夠改變形狀的行為相同，”斯坦福大學的化學工程師鮑哲南說。最近幾個月，科學家們開發出了一種新型材料，它具有自我修復和變形的能力——以及其他技能。研究人員已使用這些物質構建了新型電子產品，應用於機器人技術、生物電子介面、可穿戴裝置和先進顯示器。與用矽和金屬等傳統材料製成的機器相比，這些機器也可能更環保。
自愈材料的科學可以追溯到近兩個世紀前，但它真正起飛是在20世紀70年代。那時，研究人員開始研究聚合物的自愈潛力——聚合物是由重複部分組成的大分子，就像鏈條由鏈環組成一樣。分子主聚合物鏈或“骨架”的組成決定了一系列性質，包括分子的韌性或彈性。一些可癒合的聚合物需要觸發器，例如暴露於特定溫度、光或壓力下，才能重新連線其斷裂的鍵。另一些則自發癒合。這些“動態”聚合物使用比大多數穩定分子中更弱的分子鍵。例如，許多動態材料透過氫鍵結合在一起，其中帶正電的氫原子吸引其他帶負電的原子。“氫鍵的好處在於它是自發的，”卡內基梅隆大學的機械工程師卡梅爾·馬吉迪說。“你不需要熔化或加熱材料；它們只需在接觸時就形成這些鍵。”
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弱鍵賦予此類材料有趣的特性。“它看起來像固體。如果你快速拉伸它，它會像固體一樣斷裂。但如果你拿著它，它會像液體一樣滴落，”鮑哲南說。“分子沒有固定在原位，因此這些聚合物網路不斷形成和解離。”這種混雜性是自愈的原因。“當我們損壞材料時，鍵會斷裂。但是當你把碎片放在一起時，這些氫鍵很容易形成，材料會恢復其機械效能，”鮑哲南說。
相同的原理也適用於可拉伸電子產品。“這些動態鍵使我們能夠將材料拉伸到其原始尺寸的數百倍，因為鍵可以斷裂和重塑，”鮑哲南說。使用多種不同強度的鍵，可以生產出既柔軟又堅韌的材料。
然而，材料需要其他特性才能用於電子產品。首先，它們需要是良好的導體。然而，大多數聚合物是絕緣體。一種解決方案是在聚合物中新增金屬顆粒、奈米線或碳奈米管，以使可拉伸材料具有導電性。鮑哲南和她的同事們已經使用這種方法構建了自愈“電子皮膚”，它可以貼合身體，並能夠感知壓力和應變以及測量心率。
另一種解決方案是液態金屬。在今年早些時候發表的一項研究中，馬吉迪和他的同事將液態合金微滴引入到點綴著銀片的聚合物凝膠中。由此產生的材料具有可拉伸性、自愈性和導電性，足以為軟體機器人的電機供電。“最終目標是構建包含生物組織所有特性的電子和機器人系統，”馬吉迪說，“不僅為了功能，還為了彈性和自愈能力。”
這些自適應材料是簡單的導體。研究人員也在開發具有類似彈性的材料，但具有其他電子特性。它們包括半導體，其電導率隨溫度升高而增加；以及電介質，即絕緣體，它們在電場中改變其電荷特性或“極化”。研究人員已成功地將這些不同的材料結合起來，製造出可癒合的電晶體、電容器和其他電子元件。“各種材料功能可能在軟體機器人或可穿戴電子產品中很有用，”馬吉迪說。“我們與熱電材料合作，將熱量轉化為電能，因此如果熱電服裝損壞，能夠恢復其能量收集能力，那將是非常棒的。”尋找這樣的實際應用是馬吉迪目前關注的重點。“既然我們已經克服了很多瓶頸，那麼下一步就是重點，”他說。
新加坡國立大學的工程師本傑明·鄭（Benjamin Tee）認為，自愈電子產品將對環境有利。“自我修復對於減少電子垃圾有很多意義，”他說。“未來是否有可能，如果你摔了手機，它可以自行修復？”在2020年發表的一項研究中，鄭和他的同事們開發了一種可拉伸、透明的電介質材料，用於發光電容器。他們使用這種材料製造了一種裝置，該裝置能夠以比以前的可拉伸光電子器件所需功率低得多的功率產生明亮的光照。因此，它的壽命更長，並且更安全地用於人機介面。它還在損壞後自愈。“它可以恢復接近100%的原始亮度，”鄭說。該團隊在一個軟體機器人抓手中演示了該裝置，該抓手透過檢測反射光來感知黑暗中的物體。其他潛在應用包括幾乎堅不可摧的柔性螢幕、可穿戴裝置等。
隨著時間的推移，更多元件將獲得自愈能力。“聖盃是擁有一個可以自我修復的完整電子系統，”鄭說。這個願景更接近T-1000，但主要的障礙是複雜的電子裝置需要多層。當此類裝置損壞時，各層通常不再對齊，導致電路故障。
在今年春天發表的一項研究中，鮑哲南和她的同事們提出瞭解決這個問題的一種潛在方案。他們使用了兩種不同的聚合物，它們的骨架不混合，但也有相同的氫鍵，使各層能夠粘合在一起。“它們不喜歡混合，就像油和水一樣，”鮑哲南說。“但我們在每一側都有分子，使它們能夠在介面處粘合在一起。”研究人員堆疊了11個交替層，形成了一個70微米厚的薄膜（略微超過一美元鈔票厚度的一半）。為了測試其能力，他們將薄膜切成兩半，導致各層錯位。然後他們將材料加熱到70攝氏度，各層自行重新對齊。
該團隊在一個自重新對齊的壓力感測器和一個軟體機器人中演示了這項技術，該機器人的元件大致以磁性方式組裝，然後透過加熱進行微觀對齊。研究人員尚未在複雜的電子產品中演示這項技術——但這項研究使該應用更進一步。鮑哲南說，團隊成員已經在研究不同的功能材料、更薄的層和更復雜的分層結構。
正如經常發生的那樣，科幻小說正在慢慢變成現實。但希望未來的變形、自愈機器不會像T-1000那樣具有攻擊性。