能跑步、會爬坡，這不是生物，這居然是金屬？！

人類社會每一個新時代幾乎都是因為一種新材料的出現而促成的。鋼是維多利亞時代的關鍵原料，它讓工程師創造鐵路、蒸汽機和郵輪；人們常說20世紀是硅時代，因為材料科學的突破帶來了硅晶元和信息革命。未來，哪種材料會獨領風騷還沒有定論，但是液態金屬所具有的神奇特性，或許有可能在未來的智能時代佔據重要一席。電子信息、先進位造、新能源、柔性機器人、生物醫療健康等都可能因為液態金屬而發生巨大的變革。

撰文 | 李曉慧

提到常溫下的液態金屬，其中最被人熟知的是汞，一種讓人望而生畏的物質，它易揮發有毒性，以至於人們開始逐步淘汰汞溫度計和血壓計。而中國科學院理化所研究員、清華大學醫學院生物醫學工程系教授劉靜帶領團隊所研究的液態金屬與汞不同，它在常溫常壓下保持液態，不會揮發，沒有毒性，具有表面張力大、沸點高、導電性強及熱導率高的特點，鎵銦合金就是液態金屬的一種。

前不久，劉靜及其研究團隊將液態金屬與量子器件相聯繫，提出全液態量子器件，未來相關的器件有可能應用在智能系統以及量子計算領域。相關研究結果發表在預印本網站arXiv上，這是世界上首次提出全液態量子器件的概念。此前，基於液態金屬器件，劉靜領導的研究團隊在國際上首次提出了液態金屬計算機的基本概念和技術方案，並已著手將概念向實際硬體方向推進。

劉靜對全液態計算機器件、量子器件的想法並不是空中樓閣，在十幾年液態金屬的研究中，劉靜和團隊發現了液態金屬的超過40種獨特現象。最早他們只是將液態金屬用於冷卻高集成度計算機晶元，後來逐漸發現了液態金屬在電、磁、光、熱、化學、機械等外場控制下不同尋常的變化，更是發現液態金屬在「吃」掉「燃料」後，能夠自主運動等類生物行為。「幸運的是，液態金屬領域不少開創性的、原始性的發現是我們做出來的。」劉靜說。一系列的首次發現，令劉靜及其團隊在液態金屬領域的研究處於世界領先地位。

液態金屬展現「生物行為」

「吃東西」、「自主運動」、「胞吞效應」……很難想像這些現象如果發生在鋼、鐵上會有怎樣的景象。這些跟生命有關的這些詞看起來跟金屬完全沒有關係，卻在液態金屬上有了獨特的體現。

「胞吞效應」是細胞吞噬外界顆粒的過程，它是生物界普遍存在的一種行為。劉靜研究組發現，液態金屬也具有「胞吞效應」的類生物行為，他們發現溶液環境中的液態金屬液滴，在受到電場或化學物質的作用時，會產生類似於細胞吞噬外界顆粒的胞吞效應，能高效地將周圍的顆粒吞入體內。2017年5月，這一發現以封面文章形式發表在國際期刊《尖端科學》上。

2016年，劉靜的團隊發現液態金屬在電場的作用下，可以通過大尺度變形的方式穿過障礙物。

同樣在2016年，劉靜團隊首次揭示出，在石墨表面，處於自由空間下的液態金屬，在電的控制下，能夠逆重力蠕動爬坡，這一發現以封面文章的形式發表在國際期刊《先進材料》上。之前，在傳統基底材料，如玻璃、塑料等情形下，液態金屬會因自身重力較大且表面光滑難以攀爬，並不能通過外電場實現逆重力牽引。

2015年，劉靜與他的團隊以內封面文章形式在《先進材料》上發表了題為《仿生型自驅動液態金屬軟體動物》的論文，描述了鎵銦合金這種液態金屬，浸在氫氧化鈉溶液中，依靠「吞食」一小片鋁箔，無需電力就可以自主運動長達1小時，並可以根據環境進行變形，這樣非同尋常的特點已經非常接近自然界中簡單的軟體生物。這為研製液態金屬機器人奠定了理論和技術基礎。

在更早期，該研究團隊以封面文章形式發表於《先進材料》上的研究，首次揭示了處於溶液中的液態金屬可以在外加電場控制下，呈現多變形現象，如旋轉、單向運動、分離、融合等。這為研製柔性機器人、微流體智能器件等大量應用開啟了全新途徑。

柔性機器人的天然材料

據IDC的預測，到2020年，全球機器人行業的市值將達到1880億美元。人們希望未來的機器人更加智能、柔性，能夠更好的進行人機自然交互與協作。此前不久，美國科羅拉多大學波爾得分校的研究小組開發的機器人，它專門為「鑽入」人體肛門而設計，採用了一種硅橡膠材料，機器人身體非常靈活，比傳統結腸鏡檢查工具更讓人感到舒服。這款工具可以在進入人體結腸後，拍攝圖像以及取樣，幫助醫生診斷疾病。如果未來的機器人能夠更加柔軟、更少依賴外部動力，它將幫助人們執行許多特殊高級的任務。

然而，目前機器人的研製，包括柔性機器人大多使用剛性材料，比如金屬、塑料等材料製成。劉靜認為，目前科學界研發出了各種軟體動物機器人，包括蠕蟲機器人，毛毛蟲機器人，章魚和八爪魚機器人等，但大多仍屬於多個硬質單元組成的機構，與柔軟和普適變形乃至融合等高級機器所具備的能力還存在相當大距離，更不同於自然界中人或動物那樣的有著柔軟外表、無縫平滑的連接。

液態金屬表面張力大、可以變形等特點使它可能成為柔性機器人的天然材料，隨著劉靜團隊在液態金屬可控變形機器效應方面的發現，有望促成柔性機器人理論與技術取得重大突破，隨著更多液態金屬柔性可控變形單元與功能的發現，將促成全新概念的機器人與智能技術的研發，繼而開啟前所未有的應用空間。

「液態金屬是一大類新興的功能物質，蘊藏著很多以往沒有被認識的新奇的物理特性，它為若干新興的科學和技術前沿提供了異常豐富的研究空間。」劉靜認為。

劉靜希望自己的團隊不僅只是液態金屬基礎效應和科學特性的「發現者」，他也希望能夠在應用，甚至產業化發展方面走在世界前列。「火藥是中國發現的，但是槍炮卻是其它國家創造的。我們希望不僅能夠發現，還能夠發明。」