液態金屬機器人：終結者來了？

錢煒

（效果圖）劉靜小組研究的“液態金屬軟體動物”。圖/受訪者提供

《打印機維修》《助聽器》《金屬及礦產品深加工》……如果單看劉靜辦公室書架上的書，你很難猜中他的研究領域究竟是什么。而他的最新發現聽起來更是與他所在的低溫生物醫學工程實驗室風馬牛不相及：一滴可以自己運動的液態金屬。對此，英國《新科學家》雜志評價說，這一研究結果距離電影《終結者2》的“T1000”液態機器人又近了一步。

“與終結者聯系在一起，媒體的說法可能有些夸張了，這僅僅朝著那個方向邁出了第一步。不過，這完全是個意外的發現，并不是國家科研經費資助的項目。這說明科學的本質特征就是無法計劃的。”劉靜表示。身為清華大學醫學院與中科院理化技術研究所的雙聘教授，他橫跨工程熱物理與生命科學兩大領域：大學時念的是熱能工程，同時攻讀了現代應用物理專業的第二學位，直博時又轉向生物醫學工程方向。這正是他能夠做出此次發現的專業基礎。

液態金屬軟體動物

劉靜的博士后盛磊為《中國新聞周刊》記者重復了這一實驗。過程其實非常簡單：在一個圓形培養皿里注入氫氧化鈉溶液，用注射器將一種液態合金少量地“注射”進溶液里，可以看到液態金屬在溶液里呈銀色小球狀。撕一小塊薄薄的鋁箔置于金屬球上，就能看到鋁箔慢慢地被金屬球“吞噬”，同時，金屬球表面產生大量的細小氣泡。過了一會兒，金屬球順著培養皿的內沿開始轉動起來。這種液態金屬能“吃”食物（燃料），自主運動，可變形，具備一定代謝功能（化學反應），因此，劉靜小組將其形象地命名為“液態金屬軟體動物”。

這是科學家首次觀察到在無需施加外電場的情況下，液態金屬在吞食少量物質后就能自主運動的現象。這一現象的原理，劉靜解釋說，一是化學反應使液態金屬內部形成電場，造成其表面張力的不對稱，繼而對易變形的液態金屬造成強大推力;同時，化學反應中產生的氫氣也提供了一定的推力作用。

在這兩種作用力中，劉靜強調說，對于大尺寸的液態金屬對象而言，前一種由電勢差產生的推力更為主要，光憑氫氣產生的推力是不足以讓密度很高的大個液態金屬快速運轉起來的。在他們的實驗中，經由這種化學反應可以發生自運動的液態金屬，最大尺寸已經達到了六七厘米水平。

“你可以把吞食了鋁的液態金屬球看做是一個化學電池。不僅僅是堿性溶液，我們在酸性溶液甚至生理鹽水中也都觀察到了這一現象。”盛磊補充解釋說。該研究結果已在2015年3月的《先進材料》雜志上以內封面報道的形式刊出。在論文提及的實驗中，一塊5毫米大小的液態金屬在吞食了鋁箔之后，能夠持續運動1個小時以上，速度高達每秒5厘米。

液態金屬機器人的應用前景廣泛。據此制成的微型泵可滿足諸如藥液、陣列式微流體的運輸等，成本極低，將來還能發展成血管或腔道機器人甚至是可自我組裝的液態金屬智能機器。

日本東京大學科學家Taro Toyota對此評價說，這一發現將有助于人類將化學能轉化為機械能，用于未來制造液態機器人。不過，與其看成是終結者機器人，他更傾向于將其比作科幻電影《飛天法寶》里那塊會飛的物體。

驚人的發現

劉靜的實驗室里擺著五花八門的發明：治療腫瘤的“冷熱刀”，可用來直接打印電路板的機器，液態金屬CPU散熱器等。這最后一項，正是他此次研究成果的源頭。

2002年前后，劉靜使用一種液態的鎵銦錫合金，用作計算機CPU冷卻劑，以替代傳統的風扇散熱器。這種液態合金有非常鮮明的特點：在10度至2000度之間都呈液態，有點像體溫計中的汞，但沒有汞所具有的毒性。它還具有杰出的導電性能，是水的數億倍，其電導率顯著優于納米復合材料等其它熱門神經修復材料。同時，它很穩定，很難與酸堿溶液發生反應。

因此，劉靜想到了自己10多年前在讀博期間遇到的一個命題：人體大腦神經缺氧后極易出現不可逆損傷;此外，遍布全身的神經網絡，稍有不慎極易受到損傷甚至斷裂。全國每年的神經受傷案例超過10萬人次，盡管現有醫療技術可在一定程度上加以治療，但完全康復者卻在少數。因此，尋找合適的神經移植替代物一直是神經修復領域的一大挑戰。那么，可否將眼前的這種特殊金屬用于斷裂神經的連接？

于是，他帶著盛磊和博士生張潔等人一起做了這樣一個實驗：將牛蛙大腿上的坐骨神經剪斷，再用注射器將液態金屬注射進去，以連接剪斷的神經。結果發現，重新連起來的神經能很好地傳遞刺激信號，在信號傳導效果上與未受傷的神經幾乎一樣。而且，由于鎵銦錫金屬在X射線下具有很強的顯影性，在完成神經修復后很容易再通過注射器取出體外，這就避免了復雜的二次手術。2014年4月，劉靜等人的論文發表于在線雜志“物理學預印本”網站上，立即引發了眾多國際知名科學雜志和媒體如《新科學家》《麻省理工技術評論》《福克斯新聞》等的報道，被稱作是“令人震驚的醫學突破”。

由于神經傳導依靠的是電信號，在探索修復斷裂神經的過程中，劉靜需要對液態金屬的導電性能進行研究。因此，他們在生理鹽水中施加電場，卻驚訝地觀察到，培養皿中的液態金屬會出現旋轉行為。這是劉靜以前未曾想到過的，他為此設計了更多試驗，帶領小組一一揭示了液態金屬可在各種形態和架構中發生轉換的普適現象。2014年1月，他們在“物理學預印本”網站公布了該研究的部分成果，迅速引起了國際學界的強烈反響，被大量科學媒體和專業網站專題報道;同年5月，在《先進材料》雜志以封面文章的形式在線發表了全部成果，產生了持續廣泛的影響。

意外的收獲

劉靜和他的同事們分析，此前所有的實驗都是在電場環境下實現的。將來液態金屬要想有實際的應用，就必須脫離電場，這才有了今天的發現。而下一步的研究方向，劉靜說，就是要讓液態金屬進一步擺脫電解溶液環境。

在連接斷裂神經的研究中，偶然發現了液態金屬的電控可變形特性，這看上去就像是“跑題”的研究，但卻有了意外的收獲，對此，劉靜感嘆這正是科學的魅力所在。10多年前，當他開始研究液態金屬時，這還是一個鮮為人知的冷門領域。最近幾年，液態金屬的特殊性能已經引起了國際學界的關注，成為熱門研究領域。2014年3月，澳大利亞的科學家們也在PNAS上發表論文稱，可利用電控下浸沒于氫氧化鈉溶液中的液態金屬微球的旋轉效應，來驅動流體。

至于液態金屬連接與修復斷裂神經的研究，劉靜說，這是極具現實意義和重大醫學需求的課題，他為此吸納了新的研究成員開展更多的動物實驗，并正著手與臨床醫學的合作。

2015年1月，有國際同行在《科學》雜志發表了一項研究：利用一種新型的柔性導電材料，成功連接了小白鼠受損的脊髓神經，使之恢復了運動功能。由于成果十分“酷炫”，該研究的首席科學家還在TED上發表了演講。這項研究集結了來自瑞士、俄羅斯、美國和意大利4個國家的7所大學與研究機構的力量，團隊成員包括材料學家、物理學家、神經學家和理療師等多種人才。盛磊對此十分羨慕，他說，在國內，要想做這樣真正的多學科深度合作的前沿研究，還很不容易。