流動的金屬“動”起來 “終點”不止是“柔性機器人”

　　億萬年的進化，形成了今天豐富多彩的世界。從不同的維度去描述，我們可以發現不同的世界。“機器”一詞，在大眾的眼中多代表著堅硬、牢固﹔若再加上“金屬”二字，那更是無堅不摧了。近年來科學家們對液態金屬的研究，賦予了機器全新的定義，人們在科幻電影《終結者》中對未來機器人的暢想正逐漸變成現實。

　　讓科學家著迷的液態金屬

　　液態金屬，顧名思義就是在常溫下保持液體形態的金屬。這些金屬或合金熔點較低，在常溫下可以像水一樣自由流動，但同時具有金屬的特性。生活中最常見的液態金屬是汞。溫度計和血壓計中使用的液體都是液態金屬汞。

　　但科學家們目前所關注的“液態金屬”，卻不是汞——近年來對於室溫液態金屬的研究，主要集中在鎵和鎵基合金上。

　　鎵被發現的歷史並不長。1871年，俄國化學家門捷列夫在元素周期律中預測了“鎵”元素的存在。1875年，布瓦博得朗發現並成功提取、提純了這種新的金屬。如今工業上對鎵的生產和提純技術已經非常成熟，能夠取得99.9999%純的鎵。

　　鎵金屬熔點較低，隻有29.78℃﹔但沸點很高，能夠達到2403℃。固態時，鎵呈青灰色，而液態鎵則為銀白色。鎵富有延展性，非常柔軟。而當它與某些金屬混合后，不同的成分、不同的質量配比，就可以產生千變萬化的物理化學性質。

　　這些現象令科學家著迷，很多科學實驗因此展開。

　　液態金屬“動”起來

　　為了讓液態金屬更好地“動”起來，科學家對液態金屬的特性進行深入的研究——通過電場調控實現液態金屬的大尺度變形和運動﹔液態金屬吞噬鋁片后可以像軟體動物一樣實現自主運動﹔可以利用液態金屬的自激蕩效應制造固液組合機器﹔液態金屬還可以進行逆重力蠕動爬坡。

　　電控：液態金屬具有良好的導電性和流動性，在電場控制下，液態金屬可以在薄膜狀和球狀之間任意轉變，表面積變化可達上千倍﹔液態金屬也可以在各種結構的流道中定向運動，並且運動形態豐富多樣，平動、轉動、滾動和匍匐前進﹔在運動的過程中，大的液態金屬液滴會吞噬小的液態金屬液滴。液態金屬在電場中的行為與科幻電影中的“終結者”許多行為非常相像，首先二者都是液體，擁有很好的柔性，可以抵擋一定的沖擊﹔其次，都可以實現大尺度變形和運動。

　　“吃”鋁：如今已為人知的液態金屬的一個極為重要而基礎的效應是無需外部電力，即可實現自我驅動。實驗中，科學家發現液態金屬表面生成的氧化膜，可通過吞食鋁加以去除，由此可觸發異常獨特的自驅動行為。也就是說，液態金屬能夠“吃食物”（鋁燃料），並進行“代謝”（化學反應），為自身提供能量。液態金屬一系列非同尋常的習性，已相當接近一些自然界簡單的軟體生物，這為研制無外部復雜控制裝置的柔性機器提供了方向。

　　自激蕩：一般大型生物都具有支撐性剛性骨骼，因此液態金屬能否制造大型機器人一直是一大挑戰。但在最新研究中發現，將處理過的銅絲觸及含鋁的液態金屬時，銅絲會被液態金屬迅速“吞”入，隨后在液態金屬機體上做長時間往復穿梭運動。此外，用不鏽鋼絲觸碰液態金屬，還可對銅絲的振蕩行為加以調頻調幅操控。這一固液組合機器效應的發現和技術突破，使液態金屬機器自此有了功能性內外骨骼。

　　爬坡：液態金屬雖可通過外加電場短暫改變形狀，然而一旦去除外場，液態金屬即會在其表面張力作用下迅速回縮成球形，無法維持先前的結構。在最新的一項研究中，科學家通過引入石墨基底，可靈活自如地將處於電解液環境中的液態金屬塑造成各種銳利圖案如條形、三角形、方形、環形以及更多任意形狀。進一步地，基於石墨表面的液態金屬自由塑形效應，研究人員探索了電場作用下，液態金屬不同於傳統基底材料如塑料、玻璃等情形的豐富的物理化學圖景，初步揭示了其獨特的變形及匍匐運動行為的內在機制。有趣的是，作者們還首次揭示出處於自由空間下的電控液態金屬的蠕動爬坡能力，實現了逆重力方式的運動，為柔性變形機器人的研制提供了新方向。

　　液態金屬的進化進行時

　　液態金屬能“吃”、會動的特性，只是柔性機器人發展的初級階段所具有的能力。以自然界生物進化的觀點看，先前的工作或許隻相當於培育出了基本的功能單元即細胞，要使之成為完整的仿生物體柔性機器人，還需要生長出肌肉、骨骼、器官和皮膚等組織——從這種意義上講，液態金屬機器人的進化只是剛剛開始。

　　把液態金屬用皮膚封裝起來，或者用毛細現象將它附著在其他金屬骨架表面，它就可以不局限於溶液中，能走出去執行高難度的特殊任務。比如在救災中，柔性機器人可以在穿過狹小空隙后恢復原形並繼續執行任務﹔在醫療中，柔性機器人可沿血管等人體自然腔道運動，將藥物送入靶點，或者直接清掃血管裡的垃圾﹔在外太空探索中，柔性機器人也可以在微重力或無重力環境下執行任務。如果把電子編程看作神經調控，液態金屬看作“細胞”功能執行單元，通過電子芯片進行編程並結合一定的材料技術，就可以讓液態金屬實現可控的變形和組裝集成，並實現傳統型剛性和硬質機器人無法做到的無縫連接。給液體金屬機器人支骨敷皮，讓這個柔軟的“生物”站起來，使其實現從“水生”向“陸生”的進化。

　　但柔性機器人不是液態金屬進化的唯一“終點”：

　　——你想過直接打印手機嗎？液態金屬可以做到。其導電性和流動性可用於電子電路打印領域，3D液態金屬電子打印機能適應不同表面，能讓“樹葉也可變身電路板”。這就打破了個人電子制造技術的瓶頸和壁壘，使得在低成本下快速、隨意制作電子電路成為現實，相應突破被認為可望改變傳統電子及集成電路制造規則。

　　——你想過人造神經通路嗎？液態金屬可以做到。科學家們已經証明了以液態金屬作為高傳導性神經信號通路的可行性，發現液態金屬連接的神經模型能很好地傳遞刺激信號，與剪斷前的正常神經組織在信號傳導方面具有高度的一致性和保真度。與此同時，由於液態金屬在X射線下具有很強的顯影性，因而在完成神經修復之后很容易通過注射器取出體外，從而避免了復雜的二次手術。除此之外，在生物醫學領域，液態金屬還可以用於液態金屬外骨骼、可注射金屬內骨骼、血管造影、皮膚電子等其他重要的方面，十分值得期待。

　　迄今為止，科學家們已經發現數十種具有重要科學意義的液態金屬基礎現象或效應，更多重要的應用還有待於科學家與工程師們去發掘。金屬可以流動，奇跡正在發生！

　　作者：中國科學院未來技術學院 張旭東 陳森 孫樾