流动的金属“嗨”起来

    【科学向未来】

    亿万年的进化，形成了今天丰富多彩的世界。从不同的维度去描述，我们可以发现不同的世界。“机器”一词，在大众的眼中多代表着坚硬、牢固；若再加上“金属”二字，那更是无坚不摧了。近年来科学家们对液态金属的研究，赋予了机器全新的定义，人们在科幻电影《终结者》中对未来机器人的畅想正逐渐变成现实。

    让科学家着迷的液态金属

    液态金属，顾名思义就是在常温下保持液体形态的金属。这些金属或合金熔点较低，在常温下可以像水一样自由流动，但同时具有金属的特性。生活中最常见的液态金属是汞。温度计和血压计中使用的液体都是液态金属汞。

    但科学家们目前所关注的“液态金属”，却不是汞——近年来对于室温液态金属的研究，主要集中在镓和镓基合金上。

    镓被发现的历史并不长。1871年，俄国化学家门捷列夫在元素周期律中预测了“镓”元素的存在。1875年，布瓦博得朗发现并成功提取、提纯了这种新的金属。如今工业上对镓的生产和提纯技术已经非常成熟，能够取得99.9999%纯的镓。

    镓金属熔点较低，只有29.78℃；但沸点很高，能够达到2403℃。固态时，镓呈青灰色，而液态镓则为银白色。镓富有延展性，非常柔软。而当它与某些金属混合后，不同的成分、不同的质量配比，就可以产生千变万化的物理化学性质。

    这些现象令科学家着迷，很多科学实验因此展开。

    液态金属“动”起来

    为了让液态金属更好地“动”起来，科学家对液态金属的特性进行深入的研究——通过电场调控实现液态金属的大尺度变形和运动；液态金属吞噬铝片后可以像软体动物一样实现自主运动；可以利用液态金属的自激荡效应制造固液组合机器；液态金属还可以进行逆重力蠕动爬坡。

    电控：液态金属具有良好的导电性和流动性，在电场控制下，液态金属可以在薄膜状和球状之间任意转变，表面积变化可达上千倍；液态金属也可以在各种结构的流道中定向运动，并且运动形态丰富多样，平动、转动、滚动和匍匐前进；在运动的过程中，大的液态金属液滴会吞噬小的液态金属液滴。液态金属在电场中的行为与科幻电影中的“终结者”许多行为非常相像，首先二者都是液体，拥有很好的柔性，可以抵挡一定的冲击；其次，都可以实现大尺度变形和运动。

    “吃”铝：如今已为人知的液态金属的一个极为重要而基础的效应是无需外部电力，即可实现自我驱动。实验中，科学家发现液态金属表面生成的氧化膜，可通过吞食铝加以去除，由此可触发异常独特的自驱动行为。也就是说，液态金属能够“吃食物”（铝燃料），并进行“代谢”（化学反应），为自身提供能量。液态金属一系列非同寻常的习性，已相当接近一些自然界简单的软体生物，这为研制无外部复杂控制装置的柔性机器提供了方向。

    自激荡：一般大型生物都具有支撑性刚性骨骼，因此液态金属能否制造大型机器人一直是一大挑战。但在最新研究中发现，将处理过的铜丝触及含铝的液态金属时，铜丝会被液态金属迅速“吞”入，随后在液态金属机体上做长时间往复穿梭运动。此外，用不锈钢丝触碰液态金属，还可对铜丝的振荡行为加以调频调幅操控。这一固液组合机器效应的发现和技术突破，使液态金属机器自此有了功能性内外骨骼。

    爬坡：液态金属虽可通过外加电场短暂改变形状，然而一旦去除外场，液态金属即会在其表面张力作用下迅速回缩成球形，无法维持先前的结构。在最新的一项研究中，科学家通过引入石墨基底，可灵活自如地将处于电解液环境中的液态金属塑造成各种锐利图案如条形、三角形、方形、环形以及更多任意形状。进一步地，基于石墨表面的液态金属自由塑形效应，研究人员探索了电场作用下，液态金属不同于传统基底材料如塑料、玻璃等情形的丰富的物理化学图景，初步揭示了其独特的变形及匍匐运动行为的内在机制。有趣的是，作者们还首次揭示出处于自由空间下的电控液态金属的蠕动爬坡能力，实现了逆重力方式的运动，为柔性变形机器人的研制提供了新方向。

    液态金属的进化进行时

    液态金属能“吃”、会动的特性，只是柔性机器人发展的初级阶段所具有的能力。以自然界生物进化的观点看，先前的工作或许只相当于培育出了基本的功能单元即细胞，要使之成为完整的仿生物体柔性机器人，还需要生长出肌肉、骨骼、器官和皮肤等组织——从这种意义上讲，液态金属机器人的进化只是刚刚开始。

    把液态金属用皮肤封装起来，或者用毛细现象将它附着在其他金属骨架表面，它就可以不局限于溶液中，能走出去执行高难度的特殊任务。比如在救灾中，柔性机器人可以在穿过狭小空隙后恢复原形并继续执行任务；在医疗中，柔性机器人可沿血管等人体自然腔道运动，将药物送入靶点，或者直接清扫血管里的垃圾；在外太空探索中，柔性机器人也可以在微重力或无重力环境下执行任务。如果把电子编程看作神经调控，液态金属看作“细胞”功能执行单元，通过电子芯片进行编程并结合一定的材料技术，就可以让液态金属实现可控的变形和组装集成，并实现传统型刚性和硬质机器人无法做到的无缝连接。给液体金属机器人支骨敷皮，让这个柔软的“生物”站起来，使其实现从“水生”向“陆生”的进化。

    但柔性机器人不是液态金属进化的唯一“终点”：

    ——你想过直接打印手机吗？液态金属可以做到。其导电性和流动性可用于电子电路打印领域，3D液态金属电子打印机能适应不同表面，能让“树叶也可变身电路板”。这就打破了个人电子制造技术的瓶颈和壁垒，使得在低成本下快速、随意制作电子电路成为现实，相应突破被认为可望改变传统电子及集成电路制造规则。

    ——你想过人造神经通路吗？液态金属可以做到。科学家们已经证明了以液态金属作为高传导性神经信号通路的可行性，发现液态金属连接的神经模型能很好地传递刺激信号，与剪断前的正常神经组织在信号传导方面具有高度的一致性和保真度。与此同时，由于液态金属在X射线下具有很强的显影性，因而在完成神经修复之后很容易通过注射器取出体外，从而避免了复杂的二次手术。除此之外，在生物医学领域，液态金属还可以用于液态金属外骨骼、可注射金属内骨骼、血管造影、皮肤电子等其他重要的方面，十分值得期待。

    迄今为止，科学家们已经发现数十种具有重要科学意义的液态金属基础现象或效应，更多重要的应用还有待于科学家与工程师们去发掘。金属可以流动，奇迹正在发生！

    （作者单位：中国科学院未来技术学院）