不只是科幻：液態金屬，讓狂戰士機甲走向現實
卡梅隆監製的科幻動作大片《阿麗塔》上線已逾一周，賽博朋克風的設定令觀眾大呼過癮。其主角阿麗塔是一個機械合成人，除了大腦和思維，她身體的一切都是機械改造的產物：心臟是反物質，血液是藍色和紅色的不知名液體，身體是失傳300年含納米黑科技的狂戰士機甲等。這些給阿麗塔帶來了十分強大的能量，尤其是那具火星共和國最強悍的機甲武器身體。
圖註：阿麗塔的狂戰士機甲
看過電影的讀者應該還記著下面兩個片段：1.當這具狂戰士機甲身體剛換到阿麗塔身上時，它貼合阿麗塔的實際身形進行了自動微調；2.當阿麗塔的身體被鐵鏈擊中之後，她傷口周圍的肢體材料竟然流動起來，傷口也慢慢癒合了。
是不是想起了什麼？電影《終結者》里的全液態金屬機器人！的確，如果說現實中有一種材料能夠達到電影中的以上這些效果，那麼非液態金屬莫屬。今天我們就來揭秘一下這種神奇的液體。
圖註：液態金屬機器人
液態金屬：不止是像液體一樣流動
我們一般說到液態金屬，通常是指室溫液態金屬，顧名思義，就是一種在室溫下不定型的、可以像液體一樣流動的金屬，亦即在室溫下就能熔融的金屬（單質或合金）。
目前自然界有四種非放射性的金屬元素在室溫下是液態的，分別是用來做體溫計的水銀（金屬汞，熔點為-38.83°C）、銫（28.65°C），鎵（29.76°C）和銣（38.89°C）。其中，鎵既不像汞一樣具有高毒性，也不像銣和銫一樣化學性質太活潑，可以作為基底材料來製備各種液體金屬合金，熔融溫度甚至可以低於零度，是製造液體機器的主要材料。
圖註：溫度計中的水銀就是一種液態金屬，對人體具有高毒性，不小心打碎後一定要妥善處理。
但液態金屬又跟我們一般所了解的液態物質不一樣，它具有許多獨特又新奇的形變能力。
比如當把帶極低電壓的電極靠近液態金屬薄膜時，它會很快就收縮為一個微小球體。科學家又做了一系列的實驗，發現液態金屬在不同構象之間轉變，所產生的表面積變化可從數十倍到上千倍，這種超常的尺度變形能力為研製液態可變形機器人的提供了可能。
圖註：在電極的作用下，液態金屬薄膜迅速收縮
更令人驚喜的是，如果將電場和槽道的形狀進行特殊設置，液態金屬幾乎可以呈現出幾乎所有形態的變形和運動方式，甚至是可控的自旋轉動及定向運動。
圖註：液態金屬在電極作用下的可控流動
理論上講，如果藉助電腦來自動調控電壓大小與供電方式、電極間距與排列組合方式、液態金屬體積及流道材料與形狀，乃至電解質溶液類型與濃度等，就可以獲得千奇百怪的變形行為。
圖註：電場控制下的液態金屬顆粒像一群小馬達
圖註：液態金屬在石墨烯的表面蠕動爬坡
鎵在元素周期表中是一類接近非金屬的金屬元素，是抗磁性。而一些鎵基液態金屬合金的運動卻能夠受磁場的控制，這為液態金屬的可控運動又提供一種新的可能。
圖註：磁控液態金屬的運動
很顯然，這為研製液態金屬類柔性機器提供了關鍵技術支持。只要在液態金屬材料中埋入足夠多空間架構的電極，就能在三維層面上控制液體金屬機器的形變和運動，再加入人工智慧，就有希望形成仿生物或人形機器。阿麗塔的那身可以變換形狀尺寸並且受傷後自癒合的機甲武器，也就離現實不遠了。
液態金屬：是材料，也可能是生命
作為一種新材料，液態金屬能夠實現可控的形變，這為製造液體機器人提供了理論和技術上的可行性。科學家還一度發現了另一種異常獨特的現象：即液態金屬在「吞食」少量物質之後，不需要施加外部電力，就可以保持長時間高速運動！
如「吞食」微量鋁，可以使直徑約5mm的液態金屬球實現長達 1h以上的持續運動，速度高達5cm/s。
圖註：「吞食」鋁之後的液態金屬在自由運動
科學家研究發現這種運動的驅動力主要有兩個，一個是「吞食」鋁之後的尾部氣泡所產生的氣壓差，另一個是鋁與液態金屬在一起會產生原電池效應，這種原電池效應產生的電勢差導致液態金屬表面張力分布不均勻，產生驅動力，這兩種驅動力結合，液態金屬既可在自由空間運動，又能於各種結構槽道中蜿蜒前行。
圖註：「吞食」鋁之後的液態金屬沿結構槽運動
很顯然，這種自驅動性質可用來研製實用化智能馬達、血管機器人、流體泵送系統、柔性執行器等。而更讓人吃驚的是，這種能「吃」食物（燃料）、自主運動、可變形，具備一定代謝功能（化學反應）的材料，已相當接近一些自然界簡單的軟體生物！
通常我們所理解的生命是從地球上的有機分子開始演化出來的。事實上，只要存在一定的自我生長、繁衍、感覺、意識、意志、進化、互動等現象的存在，都可以稱為廣義的生命，包括人機混合體，純自由意志人工智慧機器人等。
圖註：電影《機器人總動員》里的機器人具備自由意志，也是一種生命
可以說，液態金屬的這些奇特性質為我們開啟了思考和認知宇宙的新腦洞。阿麗塔的機甲身體有可能會產生自己的意識，他們的戰鬥可能是兩個生命體之間的合作。而在某個星球上，也許存在著另一種像液態金屬一樣的生命。我們在地球上研究著他們，說不定他們也在琢磨我們呢。
感謝：以上所有研究成果均來自中科院理化所和清華大學醫學院液態金屬研究組，視頻由中科院理化所盛磊老師提供。
作者 | 鞠思婷 國家納米科學中心博士
審稿 | 盛磊 中科院理化所副研究員
責編 | 高佩雯
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