变形机器长期以来一直是科幻小说的主要题材——这是有充分理由的。想想1991年电影终结者 2：审判日中邪恶的杀人机器的力量。当液态金属T-1000出现时，英雄们很快意识到他们有两个大问题：首先，他们的敌人可以变形，将人形的肢体变成致命的刀刃。其次，在机器上打洞几乎无法减缓它的速度；它可以自我修复！
自愈机器已经存在于我们之中。当然，现实与T-1000并不完全相符，但科学家们发现，虚构机器的两种能力密切相关。“产生自愈材料的基本科学原理与使它们能够改变形状的行为相同，”斯坦福大学的化学工程师鲍哲南说。最近几个月，科学家们开发出了一种新型材料，它具有自我修复和变形的能力——以及其他技能。研究人员已使用这些物质构建了新型电子产品，应用于机器人技术、生物电子接口、可穿戴设备和先进显示器。与用硅和金属等传统材料制成的机器相比，这些机器也可能更环保。
自愈材料的科学可以追溯到近两个世纪前，但它真正起飞是在20世纪70年代。那时，研究人员开始研究聚合物的自愈潜力——聚合物是由重复部分组成的大分子，就像链条由链环组成一样。分子主聚合物链或“骨架”的组成决定了一系列性质，包括分子的韧性或弹性。一些可愈合的聚合物需要触发器，例如暴露于特定温度、光或压力下，才能重新连接其断裂的键。另一些则自发愈合。这些“动态”聚合物使用比大多数稳定分子中更弱的分子键。例如，许多动态材料通过氢键结合在一起，其中带正电的氢原子吸引其他带负电的原子。“氢键的好处在于它是自发的，”卡内基梅隆大学的机械工程师卡梅尔·马吉迪说。“你不需要熔化或加热材料；它们只需在接触时就形成这些键。”
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弱键赋予此类材料有趣的特性。“它看起来像固体。如果你快速拉伸它，它会像固体一样断裂。但如果你拿着它，它会像液体一样滴落，”鲍哲南说。“分子没有固定在原位，因此这些聚合物网络不断形成和解离。”这种混杂性是自愈的原因。“当我们损坏材料时，键会断裂。但是当你把碎片放在一起时，这些氢键很容易形成，材料会恢复其机械性能，”鲍哲南说。
相同的原理也适用于可拉伸电子产品。“这些动态键使我们能够将材料拉伸到其原始尺寸的数百倍，因为键可以断裂和重塑，”鲍哲南说。使用多种不同强度的键，可以生产出既柔软又坚韧的材料。
然而，材料需要其他特性才能用于电子产品。首先，它们需要是良好的导体。然而，大多数聚合物是绝缘体。一种解决方案是在聚合物中添加金属颗粒、纳米线或碳纳米管，以使可拉伸材料具有导电性。鲍哲南和她的同事们已经使用这种方法构建了自愈“电子皮肤”，它可以贴合身体，并能够感知压力和应变以及测量心率。
另一种解决方案是液态金属。在今年早些时候发表的一项研究中，马吉迪和他的同事将液态合金微滴引入到点缀着银片的聚合物凝胶中。由此产生的材料具有可拉伸性、自愈性和导电性，足以为软体机器人的电机供电。“最终目标是构建包含生物组织所有特性的电子和机器人系统，”马吉迪说，“不仅为了功能，还为了弹性和自愈能力。”
这些自适应材料是简单的导体。研究人员也在开发具有类似弹性的材料，但具有其他电子特性。它们包括半导体，其电导率随温度升高而增加；以及电介质，即绝缘体，它们在电场中改变其电荷特性或“极化”。研究人员已成功地将这些不同的材料结合起来，制造出可愈合的晶体管、电容器和其他电子元件。“各种材料功能可能在软体机器人或可穿戴电子产品中很有用，”马吉迪说。“我们与热电材料合作，将热量转化为电能，因此如果热电服装损坏，能够恢复其能量收集能力，那将是非常棒的。”寻找这样的实际应用是马吉迪目前关注的重点。“既然我们已经克服了很多瓶颈，那么下一步就是重点，”他说。
新加坡国立大学的工程师本杰明·郑（Benjamin Tee）认为，自愈电子产品将对环境有利。“自我修复对于减少电子垃圾有很多意义，”他说。“未来是否有可能，如果你摔了手机，它可以自行修复？”在2020年发表的一项研究中，郑和他的同事们开发了一种可拉伸、透明的电介质材料，用于发光电容器。他们使用这种材料制造了一种设备，该设备能够以比以前的可拉伸光电子器件所需功率低得多的功率产生明亮的光照。因此，它的寿命更长，并且更安全地用于人机界面。它还在损坏后自愈。“它可以恢复接近100%的原始亮度，”郑说。该团队在一个软体机器人抓手中演示了该设备，该抓手通过检测反射光来感知黑暗中的物体。其他潜在应用包括几乎坚不可摧的柔性屏幕、可穿戴设备等。
随着时间的推移，更多组件将获得自愈能力。“圣杯是拥有一个可以自我修复的完整电子系统，”郑说。这个愿景更接近T-1000，但主要的障碍是复杂的电子设备需要多层。当此类设备损坏时，各层通常不再对齐，导致电路故障。
在今年春天发表的一项研究中，鲍哲南和她的同事们提出了解决这个问题的一种潜在方案。他们使用了两种不同的聚合物，它们的骨架不混合，但也有相同的氢键，使各层能够粘合在一起。“它们不喜欢混合，就像油和水一样，”鲍哲南说。“但我们在每一侧都有分子，使它们能够在界面处粘合在一起。”研究人员堆叠了11个交替层，形成了一个70微米厚的薄膜（略微超过一美元钞票厚度的一半）。为了测试其能力，他们将薄膜切成两半，导致各层错位。然后他们将材料加热到70摄氏度，各层自行重新对齐。
该团队在一个自重新对齐的压力传感器和一个软体机器人中演示了这项技术，该机器人的组件大致以磁性方式组装，然后通过加热进行微观对齐。研究人员尚未在复杂的电子产品中演示这项技术——但这项研究使该应用更进一步。鲍哲南说，团队成员已经在研究不同的功能材料、更薄的层和更复杂的分层结构。
正如经常发生的那样，科幻小说正在慢慢变成现实。但希望未来的变形、自愈机器不会像T-1000那样具有攻击性。