流動(dòng)的金屬“嗨”起來

億萬年的進(jìn)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(fā)現(xiàn)不同的世界。“機(jī)器”一詞在大眾的眼中多代表著堅(jiān)硬、牢固；若再加上“金屬”二字，那更是無堅(jiān)不摧了。近年來科學(xué)家們對液態(tài)金屬的研究，賦予了機(jī)器全新的定義，人們在科幻電影《終結(jié)者》中對未來機(jī)器人的暢想正逐漸變成現(xiàn)實(shí)。

讓科學(xué)家著迷的液態(tài)金屬液態(tài)金屬，顧名思義就是在常溫下保持液體形態(tài)的金屬。這些金屬或合金熔點(diǎn)較低，在常溫下可以像水一樣自由流動(dòng)，但同時(shí)具有金屬的特性。生活中最常見的液態(tài)金屬是汞。溫度計(jì)和血壓計(jì)中使用的液體都是液態(tài)金屬汞。

但科學(xué)家們目前所關(guān)注的“液態(tài)金屬”卻不是汞——近年來對于室溫液態(tài)金屬的研究，主要集中在鎵和鎵基合金上。

鎵被發(fā)現(xiàn)的歷史并不長。1871年，俄國化學(xué)家門捷列夫在元素周期律中預(yù)測了“鎵”元素的存在。1875年，布瓦博得朗發(fā)現(xiàn)并成功提取、提純了這種新的金屬。如今工業(yè)上對鎵的生產(chǎn)和提純技術(shù)已經(jīng)非常成熟，能夠取得純度99.9999%的鎵。

鎵金屬熔點(diǎn)較低，只有29.78℃；但沸點(diǎn)很高，能夠達(dá)到2403℃。固態(tài)時(shí)，鎵呈青灰色，而液態(tài)鎵則為銀白色。鎵富有延展性，非常柔軟。而當(dāng)它與某些金屬混合后，不同的成分、不同的質(zhì)量配比，就可以產(chǎn)生千變?nèi)f化的物理化學(xué)性質(zhì)。

這些現(xiàn)象令科學(xué)家著迷，很多科學(xué)實(shí)驗(yàn)因此展開。

液態(tài)金屬“動(dòng)”起來 為了讓液態(tài)金屬更好地“動(dòng)”起來，科學(xué)家對液態(tài)金屬的特性進(jìn)行深入的研究——通過電場調(diào)控實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬的大尺度變形和運(yùn)動(dòng)；液態(tài)金屬吞噬鋁片后可以像軟體動(dòng)物一樣實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)動(dòng)；可以利用液態(tài)金屬的自激蕩效應(yīng)制造固液組合機(jī)器；液態(tài)金屬還可以進(jìn)行逆重力蠕動(dòng)爬坡。

電控：液態(tài)金屬具有良好的導(dǎo)電性和流動(dòng)性，在電場控制下，液態(tài)金屬可以在薄膜狀和球狀之間任意轉(zhuǎn)變，表面積變化可達(dá)上千倍；液態(tài)金屬也可以在各種結(jié)構(gòu)的流道中定向運(yùn)動(dòng)，并且運(yùn)動(dòng)形態(tài)豐富多樣，平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、滾動(dòng)和匍匐前進(jìn)；在運(yùn)動(dòng)的過程中，大的液態(tài)金屬液滴會吞噬小的液態(tài)金屬液滴。液態(tài)金屬在電場中的行為與科幻電影中的“終結(jié)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(shí)現(xiàn)大尺度變形和運(yùn)動(dòng)。

“吃”鋁：如今已為人知的液態(tài)金屬的一個(gè)極為重要而基礎(chǔ)的效應(yīng)是無需外部電力即可實(shí)現(xiàn)自我驅(qū)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)液態(tài)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(fā)異常獨(dú)特的自驅(qū)動(dòng)行為。也就是說，液態(tài)金屬能夠“吃食物”（鋁燃料），并進(jìn)行“代謝”（化學(xué)反應(yīng)），為自身提供能量。液態(tài)金屬一系列非同尋常的習(xí)性，已相當(dāng)接近一些自然界簡單的軟體生物，這為研制無外部復(fù)雜控制裝置的柔性機(jī)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(tài)金屬能否制造大型機(jī)器人一直是一大挑戰(zhàn)。但在最新研究中發(fā)現(xiàn)，將處理過的銅絲觸及含鋁的液態(tài)金屬時(shí)，銅絲會被液態(tài)金屬迅速“吞”入，隨后在液態(tài)金屬機(jī)體上做長時(shí)間往復(fù)穿梭運(yùn)動(dòng)。此外，用不銹鋼絲觸碰液態(tài)金屬，還可對銅絲的振蕩行為加以調(diào)頻調(diào)幅操控。這一固液組合機(jī)器效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和技術(shù)突破，使液態(tài)金屬機(jī)器自此有了功能性內(nèi)外骨骼。

爬坡：液態(tài)金屬雖可通過外加電場c0cea3f0b31b81c8d56d4845e30d07e78a546f6bcc0aa88ff548dd8d3a0853a8短暫改變形狀，然而一旦去除外場，液態(tài)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(jié)構(gòu)。在最新的一項(xiàng)研究中，科學(xué)家通過引入石墨基底，可靈活自如地將處于電解液環(huán)境中的液態(tài)金屬塑造成各種銳利圖案，如條形、三角形、方形、環(huán)形以及更多任意形狀。進(jìn)一步地，基于石墨表面的液態(tài)金屬自由塑形效應(yīng)，研究人員探索了電場作用下，液態(tài)金屬不同于傳統(tǒng)基底材料如塑料、玻璃等情形的豐富的物理化學(xué)圖景，初步揭示了其獨(dú)特的變形及匍匐運(yùn)動(dòng)行為的內(nèi)在機(jī)制。有趣的是，作者們還首次揭示出處于自由空間下的電控液態(tài)金屬的蠕動(dòng)爬坡能力，實(shí)現(xiàn)了逆重力方式的運(yùn)動(dòng)，為柔性變形機(jī)器人的研制提供了新方向。

液態(tài)金屬的進(jìn)化進(jìn)行時(shí) 液態(tài)金屬能“吃”、會動(dòng)的特性，只是柔性機(jī)器人發(fā)展的初級階段所具有的能力。以自然界生物進(jìn)化的觀點(diǎn)看，先前的工作或許只相當(dāng)于培育出了基本的功能單元即細(xì)胞，要使之成為完整的仿生物體柔性機(jī)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(tài)金屬機(jī)器人的進(jìn)化只是剛剛開始。

把液態(tài)金屬用皮膚封裝起來，或者用毛細(xì)現(xiàn)象將它附著在其他金屬骨架表面，它就可以不局限于溶液中，能走出去執(zhí)行高難度的特殊任務(wù)。比如在救災(zāi)中，柔性機(jī)器人可以在穿過狹小空隙后恢復(fù)原形并繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)；在醫(yī)療中，柔性機(jī)器人可沿血管等人體自然腔道運(yùn)動(dòng)，將藥物送入靶點(diǎn)，或者直接清掃血管里的垃圾；在外太空探索中，柔性機(jī)器人也可以在微重力或無重力環(huán)境下執(zhí)行任務(wù)。如果把電子編程看作神經(jīng)調(diào)控，液態(tài)金屬看作“細(xì)胞”功能執(zhí)行單元，通過電子芯片進(jìn)行編程并結(jié)合一定的材料技術(shù)，就可以讓液態(tài)金屬實(shí)現(xiàn)可控的變形和組裝集成，并實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)型剛性和硬質(zhì)機(jī)器人無法做到的無縫連接。給液體金屬機(jī)器人支骨敷皮，讓這個(gè)柔軟的“生物”站起來，使其實(shí)現(xiàn)從“水生”向“陸生”的進(jìn)化。

但柔性機(jī)器人不是液態(tài)金屬進(jìn)化的唯一“終點(diǎn)”：

——你想過直接打印手機(jī)嗎？液態(tài)金屬可以做到。其導(dǎo)電性和流動(dòng)性可用于電子電路打印領(lǐng)域，3D液態(tài)金屬電子打印機(jī)能適應(yīng)不同表面，能讓“樹葉也可變身電路板”。這就打破了個(gè)人電子制造技術(shù)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(xiàn)實(shí)，相應(yīng)突破被認(rèn)為可望改變傳統(tǒng)電子及集成電路制造規(guī)則。

——你想過人造神經(jīng)通路嗎？液態(tài)金屬可以做到。科學(xué)家們已經(jīng)證明了以液態(tài)金屬作為高傳導(dǎo)性神經(jīng)信號通路的可行性，發(fā)現(xiàn)液態(tài)金屬連接的神經(jīng)模型能很好地傳遞刺激信號，與剪斷前的正常神經(jīng)組織在信號傳導(dǎo)方面具有高度的一致性和保真度。與此同時(shí)，由于液態(tài)金屬在X射線下具有很強(qiáng)的顯影性，因而在完成神經(jīng)修復(fù)之后很容易通過注射器取出體外，從而避免了復(fù)雜的二次手術(shù)。除此之外，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，液態(tài)金屬還可以用于液態(tài)金屬外骨骼、可注射金屬內(nèi)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(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)數(shù)十種具有重要科學(xué)意義的液態(tài)金屬基礎(chǔ)現(xiàn)象或效應(yīng)，更多重要的應(yīng)用還有待于科學(xué)家與工程師們?nèi)グl(fā)掘。金屬可以流動(dòng)，奇跡正在發(fā)生！