晶体管的创新将加速电子元件柔性化

在1946年，美国宾夕法尼亚大学推出世界上第一台通用计算机以前，没有人能想象出实现大型计算的机器该长成什么样子。它是方还是圆，是长还是短都是一个谜。随后，当它真正出现在现实中时，人工帮助下的“进化”开始了！七十年，它从庞然大物变为“掌中宝”，从最初的计算工具变为人脑思维的辅助工具。如今，美国宾州卡内基·梅隆大学的机械工程师们又提出：柔性计算机将成为现实！

两位机械工程师就试图用新方法创造出柔软到能够变形的“晶体管”

据外媒《物理科学》官方网站11月3日报道，来自卡内基·梅隆大学的机械工程师卡梅尔·马杰迪和詹姆斯·魏斯曼是液态金属领域的杰出研究者。他们发现用液态合金能够制作出晶体管，从而让更多电子元件实现柔性转化。

长久以来，科学家们一直试图创造出更具有可塑性的电子器件，可穿戴设备就是一个典型例子。随着科技的不断进步，人们越来越希望智能AI和机械力量能够在彼此融合的前提下，保持无处不在的特性。计算机所拥有的那些强大功能逐渐向手机上转移，而手机的智能也在影响着交通工具、家居设备、办公场所的一系列转变。谷歌眼镜虽然并不成功，但却打开了想象的窗口——倘若晶体管能够改变形态，那么如今看似不可能的一切都会发生。

那么晶体管是什么呢？它其实是一个处理信号和数据的微型器件。传统意义上，作为一种固体半导体器件，它具有检波、整流、放大、开关、稳压和信号调制等多种功能。不管是笔记本电脑、智能手机还是日常使用的数字温控器，都要用到它。可以说，它几乎是每个电子设备背后的核心元件。正是晶体管在发展中日益缩小体型，才有了如今的轻薄型笔记本电脑。

面对如此强大的元件，科学家们自然不会放过任何一次改进机会，两位机械工程师就试图用新方法创造出柔软到能够变形的“流体晶体管”。寻找新材质是第一步，但像铜或银等硬质金属，或汞这类有毒的液态金属都已被排除在外，研究者使用了稀有金属中的铟和镓制作出一种混合的液态合金，能够直接注入橡胶内部，让电路像皮肤一样，柔软又具有弹性。

研究小组从对毛细管的不稳定性研究中得到了启发。

原来，常温常压下铟的熔点为156.61摄氏度，非常软，比铅的硬度低得多，用指甲就能刻痕。而镓的熔点仅为29.78摄氏度，常温常压下就是液态，同时还具有稳定固体的复杂结构。研究者们在与北卡罗来纳州立大学的科学家迈克尔·迪基的合作中，发现液态金属不仅可以用来制作柔性电路，还具备做电气开关的功能。

在新型的“流体晶体管”中，打开或关闭两个液态金属液滴之间的连接就能实现开关功能。在电路两端，若有一端电压降低，金属液滴就会相互运动并融合成一体，形成导电的“金属桥”，若两端电压相等，金属液滴就会自动断开，电路就不再通电。

外媒指出，这种对“黏糊糊”金属的利用方式潜力无限，从本质上讲，“流体晶体管”是一种更加复杂的开关，而液态合金金属能在无毒的前提下实现柔性控制电路，且只用少量电压就成功模仿了传统晶体管的特性。

本项目的研究论文已发表于杂志《高级科学》中，工程师卡梅尔·马杰迪在论文中表示，研究小组从对毛细管的不稳定性研究中得到了启发。在生活中，人们常常会看到，打开水龙头，在流量变为极低的过程中，水会发生从稳定流到单液滴的转变。这种性质有个学名，被称为瑞利泰勒不稳定性。

研究者只需找到诱导液态合金金属液滴产生这种不稳定性的方法，就能解决“流体晶体管”内液滴在一滴状态与两滴状态间的转换问题。

一旦材料可以用编程来改变结构，那么其功能也会随之改变。

马杰迪和同事在对氢氧化钠溶液的液滴进行一系列测试后，发现液滴的不稳定性可以被外部电压和电化学反应之间的耦合反应所驱动。原理是，耦合反应会引发液滴表面产生氧化梯度，从而引发液滴的表面张力产生梯度，最终使一个液滴转化为两个液滴。

马杰迪指出，试验中，两个液滴就类似于“流体晶体管”中的源极和漏极，借助场效应原理，就能通过编程来连接和断开电路，甚至还能用来创建和重构物理电路！

但凡能通过编程来改变材料应用，那么方法几乎是无穷无尽的。而一旦材料可以用编程来改变结构，那么其功能也会随之改变，甚至能够重组内部组织，以修复自身在极端环境下受到的损坏。研究者们畅想，未来液态合金制成的“流体晶体管”将会用在那些需要巨大物理结构变形的制造领域，比如，一架仿生的鸟形飞行机器人。以液态合金为血脉筋骨的机器人，无论是收缩还是张开翅膀，机翼上的电路都能随之变形，重新配置，保持正常工作的运行，不受形态变化的影响。

显然，新的电子元件和合金材料也适用于制造液体计算机，科学家们甚至提出将未来的液态计算机与生物材料相结合，从而以更直接的方式了解人体内部的情况，比如仿生义肢等。它们能直接与人体组织接触，既能充当疾病监测器，也能帮助患者恢复残疾部位的功能。

此外，部分搜索和救援类型的机器人也可以用它们来取代部分零件，这样在受到损坏时，就能自我更新电路，从而提高工作效率，就像《终结者》系列电影中的反派角色，机器人T-1000一样。外媒称，虽然这些畅想目前听起来还像科幻小说一样，但终有一天，柔性计算机会变得像今天的超薄笔记本电脑一样，随处可见。