解密“液态金属机器”

终结者T-1000液态金属机器人。图片来源: terminatorfiles.com

       变形自然不在话下。金属镓的熔点为29.8℃，金属铟的熔点为156.61℃，当二者以一定的配比制成合金后，在室温下就可呈液态，因而有很好的流动性及柔性，具备毋庸置疑的“变形能力”。但终结者除了变形外，还具备自行前进这一既像机器又像人的特点，我们能办到么？偶然的发现表明，这点的确也是能办到的！

       2014年，我们报道了这样一种奇异的现象：液态金属可在电场作用下实现各种大尺度变形，比如从一张面积很大的薄膜收缩成小球，或反之亦然。这个过程被称为“电驱动”[1，2]。在电场作用下，液态金属实现定向运动——但这还远不能满足人们的科研幻想：试想若终结者执行任务也需要依赖外部电能供应，那么直接切断其电力供应系统就可以轻易灭掉它们了，这样的话，戏也就不能愉快地演下去了。
“犯懒”犯出的发现

       为了进一步挖掘液态金属的潜力，“得寸进尺”的研究人员将下一个目标定在了自行运动上。这想法很酷，也略显大胆。我和师弟姚又友在一次实验过程中就遭遇了困难：液态金属表面生成了氧化膜，妨碍了实验的下一步进行。

       为了去除氧化膜，我通常会选择用酸或碱溶液溶解氧化物，或者采用加电将氧化物还原处理。而由于当时我专门选取在中性溶液环境中进行实验研究，所以就只考虑加电还原去除氧化层。要加电，实验者需要中止实验去取直流电源——而我犯了个懒。看到桌子上有铝箔纸，我心想铝比较活泼，跟液态金属接触的话，理论上可以直接让液态金属表面发生还原反应去除氧化层。

       事实证明，这个懒偷得可谓恰到好处：我试着撕下一片铝箔纸，让它与液态金属接触，没想到过了一会儿，铝与液态金属接触处开始冒出大量气泡，液态金属竟然欢快地跑了起来！对，就是这么任性地跑了起来！我们这才知道，原来这家伙真的可以自行运动，只是平时没有给它“吃”东西，机器没能量跑起来而已。我们在第一时间将情况报告了导师刘静教授，实验室随即开展了一系列全面研究，盛磊师兄之后的加入也加快了相关的实验进程。

       我们发现，置于电解液中的镓基液态合金可通过“摄入”铝来实现高速、高效的长时运转。一小片铝即可驱动直径约5 毫米的液态金属球在圆形器皿中持续长达1个多小时的运动，速度可达5cm/s。这种柔性机器除了在自由空间运动，还能于不同形状的槽道中沿着槽道蜿蜒前行。非常有意思的是，由于液态金属本身的柔性及可流动性，液态金属机器在槽道中运动时可根据槽道的宽窄自行变形调整形态。在遇到拐弯时，它会停顿下来，似乎在略作“思考”，而后选择继续前进。此种行为仅靠一小片铝来实现。

可变形液态金属机器在之字形槽道中的自主运动情形。视频来源：研究论文[3]

       能“吃”食物（燃料）、进行“代谢”（化学反应）为自身提供能量驱动自身运动、根据环境变化进行变形，液态金属机器这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，因此我们将其命名为“仿生型液态金属软体动物”，并将研究结果整理成论文，发表在《先进材料》（Advanced Materials）上[3]。

可变形液态金属机器在含有电解液的U形槽道中运动。图片上方标识为拍照时刻（秒）。图片来源：刘静

       为什么这种仿生型液态金属软体动物“以铝为食”？原来，铝可以被液态金属腐蚀，形成固溶体，可以将铝表面的氧化铝钝化膜局部破碎，从而提高铝的电化学活性。被液态金属活化的铝与溶液发生化学溶解，会产生电力和气泡推动液态金属前进。在微纳尺度下，仅气泡推力或许已足够推动液态金属运动。然而，液态金属前进所需的推动力至少要足以克服其在溶液中运动所受的阻力，因此当液态金属的尺度在数毫米乃至数厘米时，纯粹靠气泡来推动已不现实。

       实际上，液态金属的前进能力可归功于自身很高的表面张力（大约是水的9倍）。铝与液态金属组成短路原电池，因而形成内生电场，这会改变液态金属表面电双层的分布，诱发液态金属表面张力出现不均衡，进而对这种易于变形的液态金属产生较大的推动力。

自主型液态金属机器实物马达及其驱动流体情形。

左：“马达”头部（Head）；中：“马达”尾部（Rear）；右：液态金属（Liquid metal）和铝（Al）反应，

在NaOH溶液中运动的示意图。绿色箭头标示运动方向。图片来源：刘静

       利用液态金属的驱动力，我们可以将铝-液态金属系统置于一阀座里使其泵送液体。当将这种软软的金属球固定住，它会保持不停地转动，无需外部复杂电力系统供应即可让溶液流动起来，持续不断地将周边的液体泵送出去。在泵送液体时，我们用数字显微镜观擦液态金属表面流动状态，发现液态金属两侧像被安装了两个车轮。我们将在环形槽道中同时放置多滴液态金属，液态金属则互相追逐前进。若两液态金属相遇，则它们合二为一无缝连接，加速前进，非常像一台能自组装的机器。

       在接下来的研究中，实验室希望能为这种液态金属软体动物赋予特定的功能，比如研制实用化智能马达、药物递送系统、血管机器人乃至实现更为复杂的液态金属机器人等，最终使它们走入人们的生活。

       本文作者张洁为清华大学医学院生物医学工程系博士生，也是此文参考文献3的第一作者，该文献近日发表在《先进材料》上。本文由论文通讯作者清华大学医学院教授刘静审稿。

       （编辑：Calo）

       参考文献：

        Sheng L, Zhang J, and Liu J (2014) Diverse transformations of liquid metals between different morphologies. Adv Mater, 26: 6036–6042.
        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.
        Zhang J, Yao Y, Sheng L, and Liu J (2015) Self-fueled biomimetic liquid metal mollusk. Adv Mater, doi: 10.1002/adma.201405438.