液態(tài)金屬，顧名思義就是在常溫下保持液體形態(tài)的金屬。這些金屬或合金熔點較低，在常溫下可以像水一樣自由流動，但同時具有金屬的特性。生活中最常見的液態(tài)金屬是汞。溫度計和血壓計中使用的液體都是液態(tài)金屬汞。

 

　　但科學家們目前所關注的“液態(tài)金屬”，卻不是汞——近年來對于室溫液態(tài)金屬的研究，主要集中在鎵和鎵基合金上。

 

　　鎵被發(fā)現的歷史并不長。1871年，俄國化學家門捷列夫在元素周期律中預測了“鎵”元素的存在。1875年，布瓦博得朗發(fā)現并成功提取、提純了這種新的金屬。如今工業(yè)上對鎵的生產和提純技術已經非常成熟，能夠取得99.9999%純的鎵。

 

　　鎵金屬熔點較低，只有29.78℃；但沸點很高，能夠達到2403℃。固態(tài)時，鎵呈青灰色，而液態(tài)鎵則為銀白色。鎵富有延展性，非常柔軟。而當它與某些金屬混合后，不同的成分、不同的質量配比，就可以產生千變萬化的物理化學性質。

 

　　這些現象令科學家著迷，很多科學實驗因此展開。

 

 

　　為了讓液態(tài)金屬更好地“動”起來，科學家對液態(tài)金屬的特性進行深入的研究——通過電場調控實現液態(tài)金屬的大尺度變形和運動；液態(tài)金屬吞噬鋁片后可以像軟體動物一樣實現自主運動；可以利用液態(tài)金屬的自激蕩效應制造固液組合機器；液態(tài)金屬還可以進行逆重力蠕動爬坡。

 

　　電控：液態(tài)金屬具有良好的導電性和流動性，在電場控制下，液態(tài)金屬可以在薄膜狀和球狀之間任意轉變，表面積變化可達上千倍；液態(tài)金屬也可以在各種結構的流道中定向運動，并且運動形態(tài)豐富多樣，平動、轉動、滾動和匍匐前進；在運動的過程中，大的液態(tài)金屬液滴會吞噬小的液態(tài)金屬液滴。液態(tài)金屬在電場中的行為與科幻電影中的“終結者”許多行為非常相像，首先二者都是液體，擁有很好的柔性，可以抵擋一定的沖擊；其次，都可以實現大尺度變形和運動。

 

　　“吃”鋁：如今已為人知的液態(tài)金屬的一個極為重要而基礎的效應是無需外部電力，即可實現自我驅動。實驗中，科學家發(fā)現液態(tài)金屬表面生成的氧化膜，可通過吞食鋁加以去除，由此可觸發(fā)異常獨特的自驅動行為。也就是說，液態(tài)金屬能夠“吃食物”（鋁燃料），并進行“代謝”（化學反應），為自身提供能量。液態(tài)金屬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，這為研制無外部復雜控制裝置的柔性機器提供了方向。

 

　　自激蕩：一般大型生物都具有支撐性剛性骨骼，因此液態(tài)金屬能否制造大型機器人一直是一大挑戰(zhàn)。但在最新研究中發(fā)現，將處理過的銅絲觸及含鋁的液態(tài)金屬時，銅絲會被液態(tài)金屬迅速“吞”入，隨后在液態(tài)金屬機體上做長時間往復穿梭運動。此外，用不銹鋼絲觸碰液態(tài)金屬，還可對銅絲的振蕩行為加以調頻調幅操控。這一固液組合機器效應的發(fā)現和技術突破，使液態(tài)金屬機器自此有了功能性內外骨骼。

 

　　爬坡：液態(tài)金屬雖可通過外加電場短暫改變形狀，然而一旦去除外場，液態(tài)金屬即會在其表面張力作用下迅速回縮成球形，無法維持先前的結構。在最新的一項研究中，科學家通過引入石墨基底，可靈活自如地將處于電解液環(huán)境中的液態(tài)金屬塑造成各種銳利圖案如條形、三角形、方形、環(huán)形以及更多任意形狀。進一步地，基于石墨表面的液態(tài)金屬自由塑形效應，研究人員探索了電場作用下，液態(tài)金屬不同于傳統基底材料如塑料、玻璃等情形的豐富的物理化學圖景，初步揭示了其獨特的變形及匍匐運動行為的內在機制。有趣的是，作者們還首次揭示出處于自由空間下的電控液態(tài)金屬的蠕動爬坡能力，實現了逆重力方式的運動，為柔性變形機器人的研制提供了新方向。

 

 

　　液態(tài)金屬能“吃”、會動的特性，只是柔性機器人發(fā)展的初級階段所具有的能力。以自然界生物進化的觀點看，先前的工作或許只相當于培育出了基本的功能單元即細胞，要使之成為完整的仿生物體柔性機器人，還需要生長出肌肉、骨骼、器官和皮膚等組織——從這種意義上講，液態(tài)金屬機器人的進化只是剛剛開始。

 

　　把液態(tài)金屬用皮膚封裝起來，或者用毛細現象將它附著在其他金屬骨架表面，它就可以不局限于溶液中，能走出去執(zhí)行高難度的特殊任務。比如在救災中，柔性機器人可以在穿過狹小空隙后恢復原形并繼續(xù)執(zhí)行任務；在醫(yī)療中，柔性機器人可沿血管等人體自然腔道運動，將藥物送入靶點，或者直接清掃血管里的垃圾；在外太空探索中，柔性機器人也可以在微重力或無重力環(huán)境下執(zhí)行任務。如果把電子編程看作神經調控，液態(tài)金屬看作“細胞”功能執(zhí)行單元，通過電子芯片進行編程并結合一定的材料技術，就可以讓液態(tài)金屬實現可控的變形和組裝集成，并實現傳統型剛性和硬質機器人無法做到的無縫連接。給液體金屬機器人支骨敷皮，讓這個柔軟的“生物”站起來，使其實現從“水生”向“陸生”的進化。

 

　　但柔性機器人不是液態(tài)金屬進化的唯一“終點”：

 

　　——你想過直接打印手機嗎？液態(tài)金屬可以做到。其導電性和流動性可用于電子電路打印領域，3D液態(tài)金屬電子打印機能適應不同表面，能讓“樹葉也可變身電路板”。這就打破了個人電子制造技術的瓶頸和壁壘，使得在低成本下快速、隨意制作電子電路成為現實，相應突破被認為可望改變傳統電子及集成電路制造規(guī)則。

 

　　——你想過人造神經通路嗎？液態(tài)金屬可以做到�？茖W家們已經證明了以液態(tài)金屬作為高傳導性神經信號通路的可行性，發(fā)現液態(tài)金屬連接的神經模型能很好地傳遞刺激信號，與剪斷前的正常神經組織在信號傳導方面具有高度的一致性和保真度。與此同時，由于液態(tài)金屬在X射線下具有很強的顯影性，因而在完成神經修復之后很容易通過注射器取出體外，從而避免了復雜的二次手術。除此之外，在生物醫(yī)學領域，液態(tài)金屬還可以用于液態(tài)金屬外骨骼、可注射金屬內骨骼、血管造影、皮膚電子等其他重要的方面，十分值得期待。

 

　　迄今為止，科學家們已經發(fā)現數十種具有重要科學意義的液態(tài)金屬基礎現象或效應，更多重要的應用還有待于科學家與工程師們去發(fā)掘。金屬可以流動，奇跡正在發(fā)生！（張旭東 陳森 孫樾 作者單位：中國科學院未來技術學院）