CN107329928B - 一种液态金属计算机 - Google Patents

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Abstract

本发明一种液态金属计算机，包括组合实现计算机架构的逻辑器件，逻辑器件为柔性器件，主要包括液态金属、柔性薄膜和控制部件，该计算机主要依靠液态金属在不同物理或化学状态下的导电性差异作为逻辑运算的0和1状态，再通过多个液态金属部件的组合构建逻辑单元，最终实现计算机的编程运算功能；其中液态金属导电状态的调控包括：固液相变法、电流调控氧化膜和磁场环境控制法；本发明还提出了计算机构建方案：一是利用多个液态金属部件组成基本逻辑元件；二是与传统的电子元件结合，将液态金属作为电子元件的连接开关；三是多个基本元件组合构建模拟计算机。

Description

一种液态金属计算机
技术领域
本发明属于液态金属应用技术领域，特别涉及一种液态金属计算机。
背景技术
近几十年来，计算机技术得到突飞猛进的发展，广泛应用于日常生活和工业生产的方方面面。在计算机技术发展的早期，美藉匈牙利科学家冯·诺依曼即提出了现代计算机的基本架构，时至今日，计算机硬件系统仍然遵循着这一基本结构，即由运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备五大部件组成。计算机中的数据和操作命令以二进制的形式进行存储和处理，同时通过软件系统对数据进行运算和处理，最后通过输出设备将结果输出。
目前的计算机一般采用半导体元件作为自身的基本逻辑单元。第一代计算机采用电子管作为数据的存储和处理元件，但是这种元件体积较大，耗电量大，而且运算速度慢，随后的第二代计算机采用晶体管作为逻辑元件，这种三个引脚的电子器件具有放大功能，而且方便对元件的状态进行控制。目前电子计算机已经进入集成电路时代，即计算机的逻辑元件采用硅基材料雕刻而成的半导体元件。这种元件体积很小，在硅基材料上进行载流子掺杂，经过特殊加工后形成性能可控的半导体PN结，不同形式的PN结的组合可以构建具有不同逻辑功能的器件，如反相器、与非门等基本逻辑单元。在这些基本逻辑单元的基础上可以进一步构建不同的运算单元，如加法器、乘法器等，最终构建出可编程功能芯片，装载控制程序即可构成基本的计算机。
随着材料科学和生物科学的发展，近些年来有些研究人员提出了一些完全不同于传统电子计算机的计算机构建方案。例如以DNA计算机为代表的生物计算机。众所周知，生物体的DNA主要由含四种碱基的DNA分子组成，DNA计算机则是利用DNA(脱氧核糖核酸)建立的一种完整的信息技术形式，以编码的DNA序列(通常意义上计算机内存)为运算对象。这种计算机可以在试管中进行操作，将不同序列的DNA分子作为输入数据，然后通过生物酶的作用(相当于加减乘除运算)，使他们相互反应，形成各种组合，最后过滤掉非正确的组合而得到的编码分子序列就是正确答案。
液态金属，如镓铟合金，是一种在常温下保持液态的一类合金，具有良好的导电性和较低的凝固点。液态金属在常温环境中具有很好的流动性，将其封装在柔性材料中使得液态金属在柔性传感器、可伸缩器件等方面有着广阔的应用前景。如作为可穿戴设备之间的电气连接部件以及用于制造柔性压力传感器、柔性电感和可拉伸扬声器等。除此之外，液态金属具有一些独特的性质，如在常温环境中易于固液相变的特性、在电场作用下易于氧化和去氧化的特性、在磁场环境中产生电磁运动的特性以及通过表面氧化膜修饰实现导电性能的改变等特点。我们可以利用液态金属这些特性，通过改变外界环境来控制液态金属的物理状态，最重要的是导电特性，进而实现可控逻辑元件的制造和组装。
近年来，液态金属在电场调控下的变形运动现象得到深入研究。较大尺度上的液态金属颗粒可以在外加电场的作用下产生可逆的变形运动。例如在一定浓度的碱性溶液中，液态金属表面的氧化膜被去除，液态金属在表面张力的作用下保持球体状态。如果将正电极插入到液态金属液滴中，液态金属液滴表面迅速形成氧化膜，并且变成扁平状，之后去除电极，液态金属表面的氧化膜则会被碱性溶液还原。利用这一原理，可以通过外加电场改变液态金属的氧化程度，进而改变其电阻值，这一现象可以作为制造液态金属计算机所需的两种逻辑状态，即高阻值和低阻值。
此外，液态金属在电场作用下可以自主进行类生物胞吞行为，将其他材质的颗粒融合到液态金属液滴中，如铜纳米颗粒和铁磁性纳米颗粒。这一现象可以用于制造磁性液态金属颗粒。在磁场环境中，磁性液态金属颗粒可以发生变形运动，进而改变其自身的电阻特性。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种液态金属计算机，利用液态金属的可控导电特性，用于设计计算机逻辑元件，经过一定程度的组装设计一种新型的液态金属计算机。这种计算机不同于传统的电子计算机，可以通过多种物理场效应对逻辑器件进行编程，其反应速率要优于传统的电子计算机，而且具有柔性，在生物医疗领域有着广泛的应用前景。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种液态金属计算机，包括组合实现计算机架构的逻辑器件，其特征在于，所述逻辑器件为柔性器件，主要包括液态金属、柔性薄膜和控制部件，其中液态金属封装在柔性薄膜内。
本发明中使用的液态金属为常温下保持液体形态的镓铟合金，不同的含量配比可以得到不同熔点和导电性能的液态金属合金。通过加入其它金属如锡等，或更改合金的金属含量配比，产生适用于不同温度环境的液态金属。本发明中所选用的镓铟合金,由75.5％的镓和24.5％的铟组成。该镓铟合金的熔点为10.35℃，在常温下处于液态。
本发明中使用的柔性薄膜可以使用硅胶或聚二甲基硅氧烷(PDMS)等弹性高分子材料，如硅胶、乳胶等，根据不同应用场合，可以对柔性薄膜的具体尺寸和形状做出相应调整。此类高分子聚合物材料具有很好的柔韧性，施加外力可以产生较大范围的拉伸变形，而且制作过程比较简单，是设计柔性机器人的常用材料。本发明使用的聚合物薄膜采用DowCorning公司生产的PDMS材料。将PDMS和硅胶固化剂以10:1的质量比混合，在75℃的环境中加热一小时即可凝固。
本发明采用液态金属喷涂技术将液态金属封装在柔性薄膜中，该方法简单易行，且对PDMS薄膜的厚度没有严格的要求。首先，将PDMS与硅胶固化剂以10:1的质量比混合均匀，随后将混合液均匀涂抹在玻璃表面，置于75℃的加热箱中加热一小时；当PDMS凝固后将其取出，将塑料或金属掩膜板置于PDMS之上，随后使用液态金属喷枪将液态金属均匀喷涂在PDMS薄膜上；将掩膜板取下，使用酒精或氢氧化钠溶液将掩膜板外多余的液态金属微液滴清洗干净；将PDMS混合液均匀涂抹在喷涂液态金属的薄膜上，然后将其放置在75℃的加热箱中加热一小时。
所述的液态金属颗粒的尺寸具有较大的变化范围：一方面单个液态金属的直径在10nm到100um之间，另一方面，多个液态金属相互融合形成更大尺度的液态金属。
通过改变液态金属的导电特性，利用液态金属在不同状态下的导电性差异作为逻辑运算的0和1，以实现二进制运算。
本发明采用如下三种方式之一改变液态金属颗粒的导电特性：
(1)改变液态金属的温度，实现固液相变，进而控制液态金属的导电特性；一方面可以通过外加温度调控装置，如制冷片或加热片等改变液态金属所处环境的温度，使其在固液两种状态之间切换；另一方面可以对液态金属施加电流，利用电流的热效应，使液态金属融合，切断电流则使其凝固。
液态金属的液体状态和固体状态具有不同的形状，其电阻值也具有一定的差距，可以将不同电阻值等价为逻辑器件的0和1的状态。
(2)改变液态金属的氧化程度，进而控制液态金属的导电特性；可以通过对液态金属施加不同方向的电流，实现其表面的氧化和去氧化。例如施加正向电流则使其失去电子，表面形成氧化膜，导电性能下降；施加反向电流则使其获得电子，去除表面氧化膜，导电性能提高。利用导电性能的差距将其等价为逻辑器件的0和1的状态。
(3)改变液态金属环境的磁场强度，进而控制液态金属的导电特性。一方面，可以通过在液态金属内部掺杂磁性颗粒，通过外加磁场改变磁性颗粒在液态金属中的分布情况，使得液态金属的导电性产生差异；另一方面，可以对液态金属施加电流，在磁场环境中通电导体会受力发生变形，从而改变液态金属的形状和位置，进而影响其导电特性，利用这种导电特性的差异可以将其等价为逻辑器件的0和1的状态。
所述逻辑器件通过如下三种方式之一组合实现计算机架构，并最终实现可编程的目的：
(1)遵循传统电子计算机的架构模式，利用多个液态金属组成基本逻辑元件，如与门、或门和非门，再由这些基本的逻辑单元组成更为复杂的计算元件，如加法器、乘法器等。最终实现可编程计算机的构建；
(2)采用新的电路构建模式，并与传统的电子元件(如晶体管和二极管等)结合，将液态金属作为电子元件的连接开关，将多个液态金属排布在柔性薄膜上组成电子元件阵列，如晶体管阵列，采用以上三种液态金属导电状态控制方法中的一种或多种对不同节点处的液态金属的导电状态进行调控。通过改变节点的液态金属的导电状态就可以实现对晶体管阵列的现场编程调试。
(3)利用液态金属在不同状态下的导电性差异，将多个具有不同导电性能的液态金属进行串联或并联，直接测量输出端的电压值或整个电路的电阻值可以等效为多个输入端基于某种规则的计算结果，利用这一原理可以用模拟输出代替传统的数字输出，从而实现模拟计算机的构建。由于这种方式只需要直接测量物理量，因而不需要像传统计算机那样需要按照指令，按步骤计算，因而在超大规模计算领域，其运算速度远远大于传统的电子计算机。
综上所述，本发明提出了一种液态金属计算机。这种计算机主要依靠液态金属在不同物理或化学状态下的导电性差异作为逻辑运算的0和1状态，再通过多个液态金属的组合构建逻辑单元，最终实现计算机的编程运算功能。其中液态金属导电状态的调控方法主要包括三种：一是通过调控环境温度，实现固液相变，改变其导电性；二是通过外加电流改变其表面氧化程度，进而控制其导电特性；三是改变液态金属环境的磁场强度，控制液态金属的导电特性。本发明同样提出了三种可行的计算机构建方案：一是遵循传统电子计算机的架构模式，利用多个液态金属组成基本逻辑元件；二是采用新的电路构建模式，并与传统的电子元件(如晶体管和二极管等)结合，将液态金属作为电子元件的连接开关；三是利用液态金属在不同状态下的导电性差异，将多个具有不同导电性能的液态金属进行串联或并联，直接测量输出端的电压值或整个电路的电阻值，实现模拟计算机的功能。
与现有技术相比，本发明将液态金属封装在柔性薄膜内，通过多种方法改变液态金属的导电特性，控制液态金属在电路中的状态，这些液态金属有两种状态：导电(二进制的值为1)和不导电(二进制的值为0)。一方面，多个液态金属的组合可以制备出不同功能的逻辑器件，这些逻辑器件可以进行现场编程，改变电路的逻辑功能；另一方面，不同导电特性的液态金属的组合可以用于制备模拟运算器件，用测量输出电压的方式表示计算结果；此外，液态金属可以与其他种类的电子元件(如晶体管)连接，作为电子元件的连接开关。改变开关的状态可以编程电路的功能。
附图说明
图1是本发明一种液态金属计算机的制备方法示意图。
图2是图1制备所得液态金属计算机的一种基本结构图。
图3是本发明一种液态金属计算机的逻辑部件的控制方案：通过调控环境温度，实现固液相变的控制方案。
图4是本发明一种液态金属计算机的逻辑部件的控制方案：通过外加电流改变液态金属表面氧化程度，进而控制其导电特性的控制方案。
图5是本发明一种液态金属计算机的逻辑部件的控制方案：改变液态金属环境的磁场强度，控制液态金属的导电特性的控制方案。
图6是本发明一种液态金属计算机达到构建方案：多个液态金属组成基本逻辑元件。
图7是本发明一种液态金属计算机达到构建方案：液态金属作为电子元件的连接开关。
图8是本发明一种液态金属计算机达到构建方案：基于液态金属的模拟输出计算机。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
参考附图1，本发明提供的液态金属计算机的制造方法，包括以下操作：
1)将聚合物反应液与固化剂以5～15:1的质量比混合得到薄膜成型剂，然后将其均匀涂抹在硅片1表面，加热条件下使薄膜成型剂凝固，得到柔性薄膜2；
2)将掩膜板3覆盖在柔性薄膜2上，使用液态金属喷枪4将液态金属均匀喷涂在柔性薄膜2上；然后掩膜板3取下，将掩膜板3外多余的液态金属微液滴清洗干净，柔性薄膜2上的液态金属电路制作完成；
3)将其他类型的电子元件(如晶体管或二极管)和调节液态金属颗粒导电性的装置放置在柔性薄膜上，并且与对应的节点连接。
4)将薄膜成型剂涂抹在液态金属电路表面，形成另一层柔性薄膜5，用来封装液态金属。
实施例一：
参考附图2，本发明所述的液态金属计算机其基本的逻辑器件结构包括电极线6、柔性薄膜2、液态金属颗粒7等部分，多个基本逻辑器件可以组成简单的元件阵列8，行使复杂的功能。
实施例二：
参考附图3，通过调控环境温度，实现固液相变的控制方案。所述的液态金属7封装在柔性薄膜2内，并且在柔性薄膜2表面贴附温度调节装置，如制冷片9等。使用制冷片9降温，将液态金属7变为固态，减少其与电极片10的接触面积，从而降低导电性；关闭制冷片9，在常温下液态金属7变为液态，增加其与电极片10的接触面积，从而提高导电性。此外，选用熔点较高的液态金属7，直接对液态金属7通电，利用电流的热效应使其融化，断电使其自然降温固化，也可以实现固液相变的效果。
实施例三：
参考附图4，通过外加电流改变液态金属颗粒表面氧化程度，进而控制其导电特性的控制方案。通过对液态金属颗粒7施加不同方向的电流11，实现其表面的氧化和去氧化。施加正向的电流11则使其失去电子，表面形成氧化膜12，导电性能下降；施加反向的电流11则使其获得电子，去除表面氧化膜12，导电性能提高。
实施例四：
参考附图5，改变液态金属颗粒环境的磁场强度，控制液态金属颗粒的导电特性的控制方案。方法一是通过在液态金属颗粒7内部掺杂磁性颗粒13，通过外加磁场14改变磁性颗粒13在液态金属颗粒7中的分布情况，使得液态金属颗粒7的导电性产生差异；方法二是对液态金属颗粒7施加电流，在磁场环境中通电导体会受力发生变形，从而改变液态金属颗粒7的形状和位置，进而影响其导电特性。
实施例五：
参考附图6，遵循传统电子计算机的架构模式，利用多个液态金属颗粒组成基本逻辑元件，左图所示的是与门的构建方法，两个液态金属颗粒7通过电极线6串联，当两个输入端同时为低电阻状态时，整个电路才表现为低电阻状态，反之，则表现为高电阻状态；右图所示的是或门的构建方法，两个液态金属颗粒7通过电极线6并联，当两个输入端同时为高电阻状态时，整个电路才表现为高电阻状态，反之，则表现为高电阻状态。
实施例六：
参考附图7，采用新的电路构建模式，并与传统的电子元件15(如晶体管和二极管等)结合，将液态金属颗粒作为电子元件的连接开关16。将多个液态金属颗粒排布在柔性薄膜上组成电子元件阵列，如晶体管阵列。通过改变节点的液态金属颗粒的导电状态就可以实现对晶体管阵列的现场编程调试。
实施例七：
参考附图8，利用液态金属在不同状态下的导电性差异，将多个具有不同导电性能的液态金属7进行串联或并联(其中左图为串联结构，右图为并联结构)，直接测量输出端的电压值或整个电路的电阻值可以等效为多个输入端基于某种规则的计算结果，利用这一原理可以用模拟输出代替传统的数字输出，从而实现模拟计算机的构建。
最后所应说明的是，本发明的具体实施方案只是提供一种可行的设计思路，具体的结构尺寸并不对本发明进行限制。本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种液态金属计算机，包括组合实现计算机架构的逻辑器件，其特征在于，所述逻辑器件为柔性器件，主要包括液态金属、柔性薄膜和控制部件，其中液态金属封装在柔性薄膜内，采用如下三种方式之一改变液态金属的导电特性：
(11)改变液态金属的温度，实现固液相变，进而控制液态金属的导电特性；
(12)改变液态金属的氧化程度，进而控制液态金属的导电特性；
(13)改变液态金属环境的磁场强度，进而控制液态金属的导电特性；
所述逻辑器件通过如下三种方式之一组合实现计算机架构，并最终实现可编程的目的：
(21)遵循传统电子计算机的架构模式，利用多个液态金属部件组成基本逻辑元件，再由这些基本的逻辑单元组成更为复杂的计算元件，最终实现可编程计算机的构建；
(22)采用新的电路构建模式，并与传统的电子元件结合，将液态金属作为电子元件的连接开关，将多个液态金属排布在柔性薄膜上组成电子元件阵列，对不同节点处的液态金属的导电状态进行调控，通过改变节点的液态金属的导电状态实现对晶体管阵列的现场编程调试；
(23)利用液态金属在不同状态下的导电性差异，将多个具有不同导电性能的液态金属进行串联或并联，直接测量输出端的电压值或整个电路的电阻值等效为多个输入端基于某种规则的计算结果，用模拟输出代替传统的数字输出，从而实现模拟计算机的构建。
2.根据权利要求1所述液态金属计算机，其特征在于，所述液态金属为常温下保持液体形态的镓铟合金，通过加入其它金属，或更改合金的金属含量配比，以适用于不同温度环境。
3.根据权利要求1所述液态金属计算机，其特征在于，所述柔性薄膜采用PDMS材料或者硅胶、乳胶，根据不同应用场合，对柔性薄膜的具体尺寸和形状做出相应调整。
4.根据权利要求3所述液态金属计算机，其特征在于，所述液态金属封装在柔性薄膜内的方法如下：
首先，将PDMS与硅胶固化剂以10:1的质量比混合均匀，随后将混合液均匀涂抹在玻璃表面，置于75℃的加热箱中加热一小时；当PDMS凝固后将其取出，将塑料或金属掩膜板置于PDMS之上，随后使用液态金属喷枪将液态金属均匀喷涂在PDMS薄膜上；将掩膜板取下，使用酒精或氢氧化钠溶液将掩膜板外多余的液态金属微液滴清洗干净；将PDMS混合液均匀涂抹在喷涂液态金属的薄膜上，然后将其放置在75℃的加热箱中加热一小时。
5.根据权利要求1所述液态金属计算机，其特征在于，所述液态金属的直径在10nm到100um之间，多个液态金属相互融合形成更大尺度的液态金属颗粒或液滴。
6.根据权利要求1所述液态金属计算机，其特征在于，通过改变液态金属的导电特性，利用液态金属在不同状态下的导电性差异作为逻辑运算的0和1，以实现二进制运算。
7.根据权利要求1所述液态金属计算机，其特征在于，所述方式(11)中，通过外加温度调控装置，改变液态金属所处环境的温度，使其在固液两种状态之间切换；或，通过对液态金属施加电流，利用电流的热效应，使液态金属融合，切断电流则使其凝固；
所述方式(12)中，通过对液态金属施加不同方向的电流，实现其表面的氧化和去氧化：施加正向电流则使其失去电子，表面形成氧化膜，导电性能下降；施加反向电流则使其获得电子，去除表面氧化膜，导电性能提高；利用导电性能的差距将其等价为逻辑器件的0和1的状态；
所述方式(13)中，通过在液态金属内部掺杂磁性颗粒，通过外加磁场改变磁性颗粒在液态金属中的分布情况，使得液态金属的导电性产生差异；或者，对液态金属施加电流，在磁场环境中通电导体会受力发生变形，从而改变液态金属的形状和位置，进而影响其导电特性，利用这种导电特性的差异将其等价为逻辑器件的0和1的状态。
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