終結者要來了嗎?研究者解密「液態金屬機器」

2020-12-05 果殼網

說起液態金屬，人們最容易想起的大概是水銀。其實，液態金屬是個大家族，通常泛指熔點比較低的金屬或合金材料。在這個大家族裡，水銀只是其中個性「張揚」的一份子。它易蒸發，會形成有劇毒的汞蒸汽，因而限制了實際應用。但水銀有很多低調謙和的「兄弟姐妹」，比如金屬鎵及鎵系不同配比製成的鎵銦合金或鎵銦錫合金，它們去掉了易蒸發和毒性這些戾氣，能友好地與人類相處，因此逐漸步入公眾視野。

在不斷接觸、了解這類液態金屬的過程中，科學家們挖掘出了它們的諸多獨特屬性——它們可以像生物體一樣攝入「食物」，通過電化學反應進行「消化代謝」提供能量，以維持自身的運動……這些與生物相仿的特性讓人們不由得產生對生命的思考：到底何為生命？在這裡，我們基於鎵銦合金這種室溫下呈液態的金屬材料，製備了一種「仿生型液態金屬軟體動物」。

追逐「終結者」：會變形的液態金屬

在經典科幻電影《終結者》系列中，由液態金屬製成的T-1000和T-X型終結者，被子彈打穿後可自動修復，可根據環境隨意變形。這帶給人們很多遐想：「液態金屬機器人真的可以實現嗎？」「我們離液態金屬機器人到底還有多遠？」這也是科學家努力想解答的問題。

終結者T-1000液態金屬機器人。圖片來源: terminatorfiles.com

變形自然不在話下。金屬鎵的熔點為29.8℃，金屬銦的熔點為156.61℃，當二者以一定的配比製成合金後，在室溫下就可呈液態，因而有很好的流動性及柔性，具備毋庸置疑的「變形能力」。但終結者除了變形外，還具備自行前進這一既像機器又像人的特點，我們能辦到麼？偶然的發現表明，這點的確也是能辦到的！

2014年，我們報導了這樣一種奇異的現象：液態金屬可在電場作用下實現各種大尺度變形，比如從一張面積很大的薄膜收縮成小球，或反之亦然。這個過程被稱為「電驅動」[1，2]。在電場作用下，液態金屬實現定向運動——但這還遠不能滿足人們的科研幻想：試想若終結者執行任務也需要依賴外部電能供應，那麼直接切斷其電力供應系統就可以輕易滅掉它們了，這樣的話，戲也就不能愉快地演下去了。

「犯懶」犯出的發現

為了進一步挖掘液態金屬的潛力，「得寸進尺」的研究人員將下一個目標定在了自行運動上。這想法很酷，也略顯大膽。我和師弟姚又友在一次實驗過程中就遭遇了困難：液態金屬表面生成了氧化膜，妨礙了實驗的下一步進行。

為了去除氧化膜，我通常會選擇用酸或鹼溶液溶解氧化物，或者採用加電將氧化物還原處理。而由於當時我專門選取在中性溶液環境中進行實驗研究，所以就只考慮加電還原去除氧化層。要加電，實驗者需要中止實驗去取直流電源——而我犯了個懶。看到桌子上有鋁箔紙，我心想鋁比較活潑，跟液態金屬接觸的話，理論上可以直接讓液態金屬表面發生還原反應去除氧化層。

事實證明，這個懶偷得可謂恰到好處：我試著撕下一片鋁箔紙，讓它與液態金屬接觸，沒想到過了一會兒，鋁與液態金屬接觸處開始冒出大量氣泡，液態金屬竟然歡快地跑了起來！對，就是這麼任性地跑了起來！我們這才知道，原來這傢伙真的可以自行運動，只是平時沒有給它「吃」東西，機器沒能量跑起來而已。我們在第一時間將情況報告了導師劉靜教授，實驗室隨即開展了一系列全面研究，盛磊師兄之後的加入也加快了相關的實驗進程。

我們發現，置於電解液中的鎵基液態合金可通過「攝入」鋁來實現高速、高效的長時運轉。一小片鋁即可驅動直徑約5 毫米的液態金屬球在圓形器皿中持續長達1個多小時的運動，速度可達5cm/s。這種柔性機器除了在自由空間運動，還能於不同形狀的槽道中沿著槽道蜿蜒前行。非常有意思的是，由於液態金屬本身的柔性及可流動性，液態金屬機器在槽道中運動時可根據槽道的寬窄自行變形調整形態。在遇到拐彎時，它會停頓下來，似乎在略作「思考」，而後選擇繼續前進。此種行為僅靠一小片鋁來實現。


可變形液態金屬機器在之字形槽道中的自主運動情形。視頻來源：研究論文[3]

能「吃」食物（燃料）、進行「代謝」（化學反應）為自身提供能量驅動自身運動、根據環境變化進行變形，液態金屬機器這一系列非同尋常的習性已相當接近一些自然界簡單的軟體生物，因此我們將其命名為「仿生型液態金屬軟體動物」，並將研究結果整理成論文，發表在《先進材料》（Advanced Materials）上[3]。

可變形液態金屬機器在含有電解液的U形槽道中運動。圖片上方標識為拍照時刻（秒）。圖片來源：劉靜

為什麼這種仿生型液態金屬軟體動物「以鋁為食」？原來，鋁可以被液態金屬腐蝕，形成固溶體，可以將鋁表面的氧化鋁鈍化膜局部破碎，從而提高鋁的電化學活性。被液態金屬活化的鋁與溶液發生化學溶解，會產生電力和氣泡推動液態金屬前進。在微納尺度下，僅氣泡推力或許已足夠推動液態金屬運動。然而，液態金屬前進所需的推動力至少要足以克服其在溶液中運動所受的阻力，因此當液態金屬的尺度在數毫米乃至數釐米時，純粹靠氣泡來推動已不現實。

實際上，液態金屬的前進能力可歸功於自身很高的表面張力（大約是水的9倍）。鋁與液態金屬組成短路原電池，因而形成內生電場，這會改變液態金屬表面電雙層的分布，誘發液態金屬表面張力出現不均衡，進而對這種易於變形的液態金屬產生較大的推動力。

自主型液態金屬機器實物馬達及其驅動流體情形。左：「馬達」頭部（Head）；中：「馬達」尾部（Rear）；右：液態金屬（Liquid metal）和鋁（Al）反應，在NaOH溶液中運動的示意圖。綠色箭頭標示運動方向。圖片來源：劉靜

利用液態金屬的驅動力，我們可以將鋁-液態金屬系統置於一閥座裡使其泵送液體。當將這種軟軟的金屬球固定住，它會保持不停地轉動，無需外部複雜電力系統供應即可讓溶液流動起來，持續不斷地將周邊的液體泵送出去。在泵送液體時，我們用數字顯微鏡觀擦液態金屬表面流動狀態，發現液態金屬兩側像被安裝了兩個車輪。我們將在環形槽道中同時放置多滴液態金屬，液態金屬則互相追逐前進。若兩液態金屬相遇，則它們合二為一無縫連接，加速前進，非常像一臺能自組裝的機器。

在接下來的研究中，實驗室希望能為這種液態金屬軟體動物賦予特定的功能，比如研製實用化智能馬達、藥物遞送系統、血管機器人乃至實現更為複雜的液態金屬機器人等，最終使它們走入人們的生活。

本文作者張潔為清華大學醫學院生物醫學工程系博士生，也是此文參考文獻3的第一作者，該文獻近日發表在《先進材料》上。本文由論文通訊作者清華大學醫學院教授劉靜審稿。

（編輯：Calo）

參考文獻：

  1. Sheng L, Zhang J, and Liu J (2014) Diverse transformations of liquid metals between different morphologies. Adv Mater, 26: 6036–6042.
  2. Zhang J, Sheng L, and Liu J (2014) Synthetically chemical-electrical mechanism for controlling large scale reversible deformation of liquid metal objects. Sci Rep, 4: 7116.
  3. Zhang J, Yao Y, Sheng L, and Liu J (2015) Self-fueled biomimetic liquid metal mollusk. Adv Mater, doi: 10.1002/adma.201405438.

文章題圖：研究論文[3]

 

 

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