液态金属机器人：终结者来了？

钱炜

（效果图）刘静小组研究的“液态金属软体动物”。图/受访者提供

《打印机维修》《助听器》《金属及矿产品深加工》……如果单看刘静办公室书架上的书，你很难猜中他的研究领域究竟是什么。而他的最新发现听起来更是与他所在的低温生物医学工程实验室风马牛不相及：一滴可以自己运动的液态金属。对此，英国《新科学家》杂志评价说，这一研究结果距离电影《终结者2》的“T1000”液态机器人又近了一步。

“与终结者联系在一起，媒体的说法可能有些夸张了，这仅仅朝着那个方向迈出了第一步。不过，这完全是个意外的发现，并不是国家科研经费资助的项目。这说明科学的本质特征就是无法计划的。”刘静表示。身为清华大学医学院与中科院理化技术研究所的双聘教授，他横跨工程热物理与生命科学两大领域：大学时念的是热能工程，同时攻读了现代应用物理专业的第二学位，直博时又转向生物医学工程方向。这正是他能够做出此次发现的专业基础。

液态金属软体动物

刘静的博士后盛磊为《中国新闻周刊》记者重复了这一实验。过程其实非常简单：在一个圆形培养皿里注入氢氧化钠溶液，用注射器将一种液态合金少量地“注射”进溶液里，可以看到液态金属在溶液里呈银色小球状。撕一小块薄薄的铝箔置于金属球上，就能看到铝箔慢慢地被金属球“吞噬”，同时，金属球表面产生大量的细小气泡。过了一会儿，金属球顺着培养皿的内沿开始转动起来。这种液态金属能“吃”食物（燃料），自主运动，可变形，具备一定代谢功能（化学反应），因此，刘静小组将其形象地命名为“液态金属软体动物”。

这是科学家首次观察到在无需施加外电场的情况下，液态金属在吞食少量物质后就能自主运动的现象。这一现象的原理，刘静解释说，一是化学反应使液态金属内部形成电场，造成其表面张力的不对称，继而对易变形的液态金属造成强大推力;同时，化学反应中产生的氢气也提供了一定的推力作用。

在这两种作用力中，刘静强调说，对于大尺寸的液态金属对象而言，前一种由电势差产生的推力更为主要，光凭氢气产生的推力是不足以让密度很高的大个液态金属快速运转起来的。在他们的实验中，经由这种化学反应可以发生自运动的液态金属，最大尺寸已经达到了六七厘米水平。

“你可以把吞食了铝的液态金属球看做是一个化学电池。不仅仅是碱性溶液，我们在酸性溶液甚至生理盐水中也都观察到了这一现象。”盛磊补充解释说。该研究结果已在2015年3月的《先进材料》杂志上以内封面报道的形式刊出。在论文提及的实验中，一块5毫米大小的液态金属在吞食了铝箔之后，能够持续运动1个小时以上，速度高达每秒5厘米。

液态金属机器人的应用前景广泛。据此制成的微型泵可满足诸如药液、阵列式微流体的运输等，成本极低，将来还能发展成血管或腔道机器人甚至是可自我组装的液态金属智能机器。

日本东京大学科学家Taro Toyota对此评价说，这一发现将有助于人类将化学能转化为机械能，用于未来制造液态机器人。不过，与其看成是终结者机器人，他更倾向于将其比作科幻电影《飞天法宝》里那块会飞的物体。

惊人的发现

刘静的实验室里摆着五花八门的发明：治疗肿瘤的“冷热刀”，可用来直接打印电路板的机器，液态金属CPU散热器等。这最后一项，正是他此次研究成果的源头。

2002年前后，刘静使用一种液态的镓铟锡合金，用作计算机CPU冷却剂，以替代传统的风扇散热器。这种液态合金有非常鲜明的特点：在10度至2000度之间都呈液态，有点像体温计中的汞，但没有汞所具有的毒性。它还具有杰出的导电性能，是水的数亿倍，其电导率显著优于纳米复合材料等其它热门神经修复材料。同时，它很稳定，很难与酸碱溶液发生反应。

因此，刘静想到了自己10多年前在读博期间遇到的一个命题：人体大脑神经缺氧后极易出现不可逆损伤;此外，遍布全身的神经网络，稍有不慎极易受到损伤甚至断裂。全国每年的神经受伤案例超过10万人次，尽管现有医疗技术可在一定程度上加以治疗，但完全康复者却在少数。因此，寻找合适的神经移植替代物一直是神经修复领域的一大挑战。那么，可否将眼前的这种特殊金属用于断裂神经的连接？

于是，他带着盛磊和博士生张洁等人一起做了这样一个实验：将牛蛙大腿上的坐骨神经剪断，再用注射器将液态金属注射进去，以连接剪断的神经。结果发现，重新连起来的神经能很好地传递刺激信号，在信号传导效果上与未受伤的神经几乎一样。而且，由于镓铟锡金属在X射线下具有很强的显影性，在完成神经修复后很容易再通过注射器取出体外，这就避免了复杂的二次手术。2014年4月，刘静等人的论文发表于在线杂志“物理学预印本”网站上，立即引发了众多国际知名科学杂志和媒體如《新科学家》《麻省理工技术评论》《福克斯新闻》等的报道，被称作是“令人震惊的医学突破”。

由于神经传导依靠的是电信号，在探索修复断裂神经的过程中，刘静需要对液态金属的导电性能进行研究。因此，他们在生理盐水中施加电场，却惊讶地观察到，培养皿中的液态金属会出现旋转行为。这是刘静以前未曾想到过的，他为此设计了更多试验，带领小组一一揭示了液态金属可在各种形态和架构中发生转换的普适现象。2014年1月，他们在“物理学预印本”网站公布了该研究的部分成果，迅速引起了国际学界的强烈反响，被大量科学媒体和专业网站专题报道;同年5月，在《先进材料》杂志以封面文章的形式在线发表了全部成果，产生了持续广泛的影响。

意外的收获

刘静和他的同事们分析，此前所有的实验都是在电场环境下实现的。将来液态金属要想有实际的应用，就必须脱离电场，这才有了今天的发现。而下一步的研究方向，刘静说，就是要让液态金属进一步摆脱电解溶液环境。

在连接断裂神经的研究中，偶然发现了液态金属的电控可变形特性，这看上去就像是“跑题”的研究，但却有了意外的收获，对此，刘静感叹这正是科学的魅力所在。10多年前，当他开始研究液态金属时，这还是一个鲜为人知的冷门领域。最近几年，液态金属的特殊性能已经引起了国际学界的关注，成为热门研究领域。2014年3月，澳大利亚的科学家们也在PNAS上发表论文称，可利用电控下浸没于氢氧化钠溶液中的液态金属微球的旋转效应，来驱动流体。

至于液态金属连接与修复断裂神经的研究，刘静说，这是极具现实意义和重大医学需求的课题，他为此吸纳了新的研究成员开展更多的动物实验，并正着手与临床医学的合作。

2015年1月，有国际同行在《科学》杂志发表了一项研究：利用一种新型的柔性导电材料，成功连接了小白鼠受损的脊髓神经，使之恢复了运动功能。由于成果十分“酷炫”，该研究的首席科学家还在TED上发表了演讲。这项研究集结了来自瑞士、俄罗斯、美国和意大利4个国家的7所大学与研究机构的力量，团队成员包括材料学家、物理学家、神经学家和理疗师等多种人才。盛磊对此十分羡慕，他说，在国内，要想做这样真正的多学科深度合作的前沿研究，还很不容易。