中國誕生“終結者”：液態金屬機器領先世界

提到液態金屬，最被大家熟知的就是水銀。近日，中國科學院理化技術研究所和清華大學醫學院聯合研究小組發現，液態金屬可在“吞食”少量物質后以可變形機器形態長時間高速運動，實現無需外部電力的自主運動，這樣可變形、可高能運轉的液態金屬讓人不禁想到科幻電影《終結者》中由液態金屬制成的T-1000和T-X型終結者，這一針對液態金屬的最新發現很可能讓液態金屬機器人成為現實。

液態金屬，你陌生嗎？

有一些金屬由于熔點較低，在常溫下也處于液體狀態，例如大家熟知的汞，此外還有許多合金在室溫甚至在很低的溫度時也為液態，如鎵銦合金（以一定配比制成合金后，在室溫下即呈液態）。

在有些報道中我們也會看到液態金屬的身影，如此前媒體報道的液態金屬將應用在手機中，這里的液態金屬其實是一種金屬玻璃，即在高溫金屬熔化后運用技術將其液態化的原子狀態保留在其固態中，這樣的金屬在物理、化學、力學性質上都同其本來固態化時有很大區別，如其能降低電能損耗，因此被運用在電力、電子行業，有很好的節能性，此外還具有較高的抗腐蝕及高耐磨特性，運用在手機中會增加手機的抗摔、抗劃能力。但這并不是真正意義上的液態金屬，其在室溫時并不是液體狀態。

液態金屬軟體生物

在清華大學醫學院生物醫學工程系劉靜實驗室，出現了這樣一幕：電解液中，直徑約5毫米的液態鎵金屬球，吞食了0.012克鋁之后，能以每秒5厘米的速度前進。而在各種槽道中前行時，可以隨槽道的寬窄自動變形調整，遇到拐彎時停頓下來，略作“思考”后，蜿蜒前行。

它的神奇之處在于：“吃”食物、自主運動、能變形、能“代謝”、易無縫組合、運動方向可控，這些接近自然界簡單軟體動物的習性，讓劉靜把這一研究成果親切地稱之為“液態金屬軟體動物”。那么它的動力從哪兒來呢？

劉靜教授解釋稱，科學家此前發現“液態金屬機器”的“電驅動”現象，即電荷會改變液態金屬的表面張力，在內部形成旋轉，因此控制電荷運動，就能像車輪一樣驅動“液態金屬機器”往前走。而最新研究發現“液態金屬機器”會“吞食”鋁片作為產生電荷的“燃料”。

他解釋說，剛開始“液態金屬機器”并沒有外部動力，等“吞食”鋁片后（也可以理解為腐蝕），在電解液里形成原電池反應，就能自行運動了。如果運動路線上還有一些鋁片，那么“液態金屬機器”走到那里也能順路將鋁片“吞食”掉。它的運動速度并不慢，可以達到每秒5厘米，而且行動距離相當遠，在容器中可以走一個多小時。這一反應提供了兩種推力，一個是液態鎵合金和活潑的鋁發生化學反應后，形成內生電場，引起液態金屬表面張力不平衡，從而對易于變形的液態金屬產生強大推力；另一個是在上述電化學反應過程中產生的氫氣也進一步提升了推力，雙重作用產生了超常的液態金屬馬達行為。目前，實驗室根據上述原理已能制成不同大小的液態金屬機器，尺度從數十微米到數厘米，且可在不同電解液環境如堿性、酸性乃至中性溶液中運動。

神經損傷的救星

液態金屬和醫學掛鉤，大多數人會想到將其運用在醫學器械上，但如果將液態金屬植入生物體呢？

眾所周知，神經網絡遍布于人體全身，因而神經損傷與斷裂在醫學上極為普遍。據統計，有多達100種以上的因素均可造成神經破損。在生理學上，神經再生是一個極為緩慢的過程，有時甚至需要長達數年的時間才能恢復切斷神經末梢的互連。因此，盡管神經損傷一定程度上可通過某種手術或物理方式加以治療，神經纖維一旦被徹底切斷或破壞，唯一的希望只能是將這些分隔的末梢盡快連通。這是因為，神經信號一旦持續中斷，患者對應的肌肉功能即會隨之減退、萎縮，直至造成永久性的功能缺失乃至截癱。

當前，治療周圍神經損傷的“金標準”在于自體神經移植，但卻受到供區神經來源不足、供區神經功能喪失，以及供區神經結構和尺寸不匹配等的限制。因此，尋找合適的神經移植替代物長期以來成為神經修復領域中的重大挑戰。近年來，顯微外科和納米材料學的發展為斷裂神經修復帶來了新希望，但仍受到諸如導通能力不足、神經功能恢復不暢等的制約。

迄今，在臨床醫學上逐步得到廣泛認同的是，如能將恢復期的肌肉神經信號持續高效地傳達至目標，則將大大加速神經的修復過程，并促成其保持原有功能。而神經功能主要是通過電信號的傳輸和響應來實現的。正是出于這一考慮，研究小組基于十余年來在液態金屬材料學與生物醫學工程領域的長期積累和實踐，首次提出了具有突破性意義的液態金屬神經連接與修復技術，旨在迅速建立切斷神經之間的信號通路及生長空間，從而提高神經再生效率并降低肌肉功能喪失的風險。

劉靜教授的研究小組通過實驗證實提出了液態金屬神經連接與修復技術。在題為Liquid Metal as Connecting or Functional Recovery Channel for the Transected Sciatic Nerve（液態金屬作為連接或恢復切斷坐骨神經功能的通道）的論文中，研究小組首次證實了以液態金屬作為高傳導性神經信號通路的可行性。通過建立牛蛙腓腸肌模型，采用液態金屬連接剪斷的神經組織，借助微弱電刺激試驗探明了液態金屬神經傳導的優勢。

結果表明，利用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，明顯優于傳統的林格氏液。與此同時，由于液態金屬在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。這一方法為神經連接與修復開辟了全新方向。國際上諸多科學媒體紛紛對此加以評介，認為是令人震驚的醫學突破。

液態金屬還會擁抱

液態金屬的自主運動、能變形、導電等特性為研制實用化智能馬達、血管機器人、流體泵送系統、柔性執行器乃至更為復雜的液態金屬機器人奠定了技術基礎。由于“仿生物”液態金屬機器人可以實現不同形態之間的自由轉換，以執行高難度的特殊任務，因此可以在未來廣泛應用于軍事、醫療與科學探索等多種領域的多元場景。

劉靜說，由于智能材料可柔性好、自驅動、能變形，在傳感器的幫助下，可以讀取并模擬遠方活體行為信息，實現“遠程握手”“遠程擁抱”等應用場景。這意味著分隔兩地的家人、愛人可以通過科技觸及對方，人和人的距離將因科技而變得更近。

（文章來源：中國科普網、清華大學新聞網、新華網、歐浦鋼網等）