完成神经修复 能“吃”会动的液态金属

其实，让液态金属动起来早在第一次试验中就已经实现。在电场的作用下，人为控制出来的液态金属球发生了自旋现象。

研究人员盛磊向南方日报记者展示的试验中，能清楚地看到金属球的周围形成了一个漩涡对。如果将墨水洒在金属球上，旋转的金属球立马将墨水引向了两边，其自旋的方向清晰可见，整颗液态金属球并非是按逆时针或者顺时针在旋转，而是在两个半球上各自有一个自旋转。

而且，将正负两个电极放入容器中之后，液态金属球会朝着正极的方向运动。刘静将其称为“电驱动”。

但是，最新的科研成果却让这个发现显得不那么“牛逼”。

还是一次偶然。

在去年9月的一次实验中，液态金属表面的氧化物影响了实验效果。张洁随手抄起桌上的一张铝箔，卷成小棍试图剥去液态金属表面的氧化膜。奇迹就这样不期而至。当铝箔碰到液态金属球的时候，这个安静的球体竟然燥动起来，它开始在装有氢氧化钠溶液的器皿中运动，围着器皿的内壁一圈圈的跑动。

这时，没有人向之前一样给它通电，也就是说这不是“电驱动”。而且，没想到的是，液态金属竟然不知疲惫地奔跑了一个小时还没有停下来。

为了向南方日报记者展示自主运动现象，盛磊将一块铝箔放在液态金属球旁边，只见液态金属球慢慢地吞噬了这块铝箔，并且将铝箔移动到了它的“尾巴”处，开始奔跑起来。铝箔则慢慢地消失，仿佛被这个液态金属球“消化”了一样。

“最奇怪的是液态金属并不是自身与铝发生化学反应，它是把铝当成了食物，为它自身的运动提供能量。”刘静说。

这让液态金属摆脱了对于庞杂的外部电力系统的依赖，实现了自运动。目前，实验室已能制成不同大小的液态金属，尺度从数十微米到数厘米，且可在不同电解液环境如碱性、酸性乃至中性溶液中运动。

而且，在实验中，吞噬了铝箔的液态金属球既可在自由空间运动，又能于各种结构槽道中蜿蜒前行。它还可随沿程槽道的宽窄自行作出变形调整。实验室人员甚至还为它设计了专门的跑道，各种大小的液态金属在里面随意穿行。

高效率能量转换

液态金属在吞噬了相当于其体重3%左右的铝箔后，可以5厘米/秒的速度运动一个小时以上，这时的液态金属既是新材料又是新能源

液态金属既可以人为控制形状，又能在不借助外部电场的作用下实现自主运动，已然“惊世骇俗”。论文发表之后迅速引起关注，据盛磊介绍，《先进材料》杂志的其他文章平均受关注指数在6左右，而他们的文章远远超过了这个平均值，发表一个月以来已达267，“获得这个杂志有史以来最高的关注度”。

“因为铝很容易形成氧化膜，导致其不与其他物质发生反应，但是液态金属阻断了铝的氧化膜的形成，使其与容器中的液体发生反应，从而为液态金属的运动提供能量。”刘静说。

这个过程中提供能量的机制就是原电池反应以及气泡的推动。所谓原电池反应，指的是由两块活泼性能不同的金属作为原电池的两个电极（活泼的金属是电池的负极，不活泼金属作为电池的正极），放入电解质溶液中，再由导线形成闭合回路。

据刘静介绍，刚开始“液态金属机器”没有外部动力，“吞噬”铝片后，被卸掉装甲的铝片与溶液发生反应，在电解液里形成原电池反应，会产生电力和氢气泡推动液态金属前进。

如果液滴个体很小，在微米级别，就可以靠气泡的反作用力推动；如果液滴个体比较大，在毫米、厘米级别时，气泡的作用微乎其微，这时，铝与液态金属组成短路原电池，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，进而产生较大推动力。“液态金属表面张力是液体里最高的，是水的近9倍。由于它既是液体又能导电，就可以在电双层表面张力作用下运动。表面张力会让液态金属向球形发展，在内部形成漩涡。从流体力学来说，是非常独特的，像风火轮一样内部出现大回环，又像坦克一样用轮子带动履带。”刘静说。

液态金属在吞噬了相当于其体重3%左右的铝箔后，可以5厘米/秒的速度运动一个小时以上。“这个能量转化机制是非常高的，虽然我们没有详细的测算，但是对比来看，绝对算高效率。”盛磊说。

在盛磊看来，吞食了铝箔而进行自主运动的液态金属既是新材料又是新能源，“首先这种能量转换机制非常好，其次，自主运动的液态金属本身也是一个动力源，可以为其他的物体运动提供动力。”

■应用前景

关于液态金属的研究成果，最吸引人的莫过于制造一个液态金属机器人。但是盛磊坦言距离这个目标还很遥远。

首要的障碍就是如何加强对于液态金属形态以及运动的精确控制。刘静表示，目前还无法通过人为控制使得液态金属出现更多的形态变化。

让液态金属“站”起来一直是这个团队努力实现的事情，但是目前奇迹还没有发生。据刘静介绍，就像人体一样，是由各个部分组成的，要想让液态金属站起来，或许也要考虑这种组合的方式。比如，他们正在试图给液体金属机器人搭建支架，让它们通过附着的方式组合起来，从而完成站立这一壮举。

“把液态金属用皮肤套装起来，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”。

液态金属机器人需要融合材料学、生物学、机器人、流体力学、电子、传感器以及计算机等多学科的知识，这才是把想象力变成现实的基础。

在研究团队的设想中，救灾中柔性机器人可以穿过狭小空隙再恢复原形继续执行任务；医疗手术中，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。

“如果把电子编程看做是神经调控，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。”刘静说。

这些设想还有些遥远，但是关于液态金属的应用却已成为现实。

2013年，刘静基于对液态金属的研究，成功实现了在纸上“打印”电子电路：它的基本观念在于，在常温状态下，“墨水”就是液态金属，打出来就能成为电路。

2002年前后，刘静使用一种液态的镓铟锡合金，用作计算机CPU冷却剂，以替代传统的风扇散热器。

由于镓基液态金属具有杰出的导电性能，是水的数亿倍，其电导率显著优于纳米复合材料等其他热门神经修复材料。刘静便朝着这个方向大胆迈进，使用镓基液态金属修复人体受损的神经。研究团队将牛蛙大腿上的坐骨神经剪断，再用注射器将液态金属注射进去，以连接剪断的神经。结果发现，重新连起来的神经能很好地传递刺激信号，在信号传导效果上与未受伤的神经几乎一样。而且，由于镓铟锡金属在X射线下具有很强的显影性，在完成神经修复后很容易再通过注射器取出体外，这就避免了复杂的二次手术，被称作是“令人震惊的医学突破”。　（记者 王腾腾 实习生：张阿高 策划统筹：黄慧莹）

关键词：液态金属，液态合金，原电池反应，柔性机器人，自旋转，氢气泡，金属球