液態(tài)金屬機器人：終結(jié)者來了？

錢煒

（效果圖）劉靜小組研究的“液態(tài)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(chǎn)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(lǐng)域究竟是什么。而他的最新發(fā)現(xiàn)聽起來更是與他所在的低溫生物醫(yī)學(xué)工程實驗室風(fēng)馬牛不相及：一滴可以自己運動的液態(tài)金屬。對此，英國《新科學(xué)家》雜志評價說，這一研究結(jié)果距離電影《終結(jié)者2》的“T1000”液態(tài)機器人又近了一步。

“與終結(jié)者聯(lián)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(fā)現(xiàn)，并不是國家科研經(jīng)費資助的項目。這說明科學(xué)的本質(zhì)特征就是無法計劃的?！眲㈧o表示。身為清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院與中科院理化技術(shù)研究所的雙聘教授，他橫跨工程熱物理與生命科學(xué)兩大領(lǐng)域：大學(xué)時念的是熱能工程，同時攻讀了現(xiàn)代應(yīng)用物理專業(yè)的第二學(xué)位，直博時又轉(zhuǎn)向生物醫(yī)學(xué)工程方向。這正是他能夠做出此次發(fā)現(xiàn)的專業(yè)基礎(chǔ)。

液態(tài)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(fù)了這一實驗。過程其實非常簡單：在一個圓形培養(yǎng)皿里注入氫氧化鈉溶液，用注射器將一種液態(tài)合金少量地“注射”進溶液里，可以看到液態(tài)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(chǎn)生大量的細小氣泡。過了一會兒，金屬球順著培養(yǎng)皿的內(nèi)沿開始轉(zhuǎn)動起來。這種液態(tài)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(xué)反應(yīng)），因此，劉靜小組將其形象地命名為“液態(tài)金屬軟體動物”。

這是科學(xué)家首次觀察到在無需施加外電場的情況下，液態(tài)金屬在吞食少量物質(zhì)后就能自主運動的現(xiàn)象。這一現(xiàn)象的原理，劉靜解釋說，一是化學(xué)反應(yīng)使液態(tài)金屬內(nèi)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(tài)金屬造成強大推力;同時，化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)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(diào)說，對于大尺寸的液態(tài)金屬對象而言，前一種由電勢差產(chǎn)生的推力更為主要，光憑氫氣產(chǎn)生的推力是不足以讓密度很高的大個液態(tài)金屬快速運轉(zhuǎn)起來的。在他們的實驗中，經(jīng)由這種化學(xué)反應(yīng)可以發(fā)生自運動的液態(tài)金屬，最大尺寸已經(jīng)達到了六七厘米水平。

“你可以把吞食了鋁的液態(tài)金屬球看做是一個化學(xué)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(xiàn)象?！笔⒗谘a充解釋說。該研究結(jié)果已在2015年3月的《先進材料》雜志上以內(nèi)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(tài)金屬在吞食了鋁箔之后，能夠持續(xù)運動1個小時以上，速度高達每秒5厘米。

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

日本東京大學(xué)科學(xué)家Taro Toyota對此評價說，這一發(fā)現(xiàn)將有助于人類將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機械能，用于未來制造液態(tài)機器人。不過，與其看成是終結(jié)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(fā)現(xiàn)

劉靜的實驗室里擺著五花八門的發(fā)明：治療腫瘤的“冷熱刀”，可用來直接打印電路板的機器，液態(tài)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(tài)的鎵銦錫合金，用作計算機CPU冷卻劑，以替代傳統(tǒng)的風(fēng)扇散熱器。這種液態(tài)合金有非常鮮明的特點：在10度至2000度之間都呈液態(tài)，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(dǎo)電性能，是水的數(shù)億倍，其電導(dǎo)率顯著優(yōu)于納米復(fù)合材料等其它熱門神經(jīng)修復(fù)材料。同時，它很穩(wěn)定，很難與酸堿溶液發(fā)生反應(yīng)。

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(jīng)缺氧后極易出現(xiàn)不可逆損傷;此外，遍布全身的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，稍有不慎極易受到損傷甚至斷裂。全國每年的神經(jīng)受傷案例超過10萬人次，盡管現(xiàn)有醫(yī)療技術(shù)可在一定程度上加以治療，但完全康復(fù)者卻在少數(shù)。因此，尋找合適的神經(jīng)移植替代物一直是神經(jīng)修復(fù)領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)。那么，可否將眼前的這種特殊金屬用于斷裂神經(jīng)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(jīng)剪斷，再用注射器將液態(tài)金屬注射進去，以連接剪斷的神經(jīng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，重新連起來的神經(jīng)能很好地傳遞刺激信號，在信號傳導(dǎo)效果上與未受傷的神經(jīng)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(jīng)修復(fù)后很容易再通過注射器取出體外，這就避免了復(fù)雜的二次手術(shù)。2014年4月，劉靜等人的論文發(fā)表于在線雜志“物理學(xué)預(yù)印本”網(wǎng)站上，立即引發(fā)了眾多國際知名科學(xué)雜志和媒體如《新科學(xué)家》《麻省理工技術(shù)評論》《?？怂剐侣劇返鹊膱蟮?，被稱作是“令人震驚的醫(yī)學(xué)突破”。

由于神經(jīng)傳導(dǎo)依靠的是電信號，在探索修復(fù)斷裂神經(jīng)的過程中，劉靜需要對液態(tài)金屬的導(dǎo)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(yǎng)皿中的液態(tài)金屬會出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)行為。這是劉靜以前未曾想到過的，他為此設(shè)計了更多試驗，帶領(lǐng)小組一一揭示了液態(tài)金屬可在各種形態(tài)和架構(gòu)中發(fā)生轉(zhuǎn)換的普適現(xiàn)象。2014年1月，他們在“物理學(xué)預(yù)印本”網(wǎng)站公布了該研究的部分成果，迅速引起了國際學(xué)界的強烈反響，被大量科學(xué)媒體和專業(yè)網(wǎng)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(fā)表了全部成果，產(chǎn)生了持續(xù)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(huán)境下實現(xiàn)的。將來液態(tài)金屬要想有實際的應(yīng)用，就必須脫離電場，這才有了今天的發(fā)現(xiàn)。而下一步的研究方向，劉靜說，就是要讓液態(tài)金屬進一步擺脫電解溶液環(huán)境。

在連接斷裂神經(jīng)的研究中，偶然發(fā)現(xiàn)了液態(tài)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(xué)的魅力所在。10多年前，當他開始研究液態(tài)金屬時，這還是一個鮮為人知的冷門領(lǐng)域。最近幾年，液態(tài)金屬的特殊性能已經(jīng)引起了國際學(xué)界的關(guān)注，成為熱門研究領(lǐng)域。2014年3月，澳大利亞的科學(xué)家們也在PNAS上發(fā)表論文稱，可利用電控下浸沒于氫氧化鈉溶液中的液態(tài)金屬微球的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，來驅(qū)動流體。

至于液態(tài)金屬連接與修復(fù)斷裂神經(jīng)的研究，劉靜說，這是極具現(xiàn)實意義和重大醫(yī)學(xué)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(yī)學(xué)的合作。

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