只想做一个安静美好的“终结者”

来源:中国青年报 2015-4-1 张莹

  这是连续第3个夜晚,刘静沉浸在同一部电影里。

  画面中,新型T1000终结者机器人拥有液态金属形体。尽管身材健硕,但他能从天花板上的弹孔挤进电梯,又在水流般倾泻而下的过程中,慢慢凝固成人形。

  刘静忍不住按下了暂停键。

  这位清华大学生物医学工程系教授惦记着自己的实验室。此时此刻,那里就有一群液态金属个体,正在日益智能化:它们“懂得”在通过狭长槽道时要“缩骨”,“知道”转弯时该减速。只消“饱餐”一顿,它们就能活力四射地运动一个小时。

  “它们会是T1000的雏形吗?”刘静猜想,时隔24年,那部他青年时代就看过的经典好莱坞科幻电影《终结者Ⅱ》,其情节也许能在他的实验室里成为现实。

  今年3月,刘静指导的研究团队,在科学期刊《先进材料》上发表论文《仿生型自驱动液态金属软体动物》,这个来自中国的年轻团队和他们的发现,迅速在海外激起反响。

  “令人惊叹、引人注目!”《先进材料》评审毫不吝惜自己的评价。《自然》、《新科学家》、《科学》等数十份学术杂志和专业网站第一时间发来电子邮件,寻求获得转载或采访的许可。国际生物学界甚至由此重新发起了“如何定义生命”的讨论。人们迫切地想要知道:我们离“终结者”还有多远?

  这个令全世界为之疯狂的发现,到底是怎么来的?

仿佛仙女手中的魔法杖,小小的铝棒赋予液态金属“生命”

  就像苹果碰巧砸到牛顿,青霉菌偶然出现在弗莱明的培养皿中一样,发现液体金属的奇妙特性,也是一个关于“好运气”的故事。

  清华大学生物医学工程博士三年级的张洁清晰记得那个早晨。

  刚刚入冬的一天,她提着两只从市场买来的牛蛙走进实验室。按照导师刘静的指导计划,她最近一段时间的研究要转向“液态金属连接神经信号传导”。

  “液态金属具有金属的导电性,又有液体的延展性,我们想要试试看,将它涂抹在断了的坐骨神经之间,能否恢复电信号传递。”为了使表述尽量严谨和直观,这个在导师和师弟师妹眼里“特别理性”的女孩拿起笔,一笔一划地画了张示意图。

  但就在那天早晨,这个“冷静得不会出错”的姑娘难得地失误了。她手一抖,把本该接触牛蛙神经的电极“戳”到了那只可怜家伙断裂神经之间的液态金属上。一瞬间,原本像一条线段的液态金属缩成了一个圆球。

  “挺有意思,或许是个新发现,但我需要确认。”尽管内心惊叹,但在回忆那个里程碑式的发现时,这个26岁的女孩语气平静得没有一丝波澜。经导师刘静鉴定,液态金属在电场作用下的运动机制确实是个未曾有人触及的领域,值得进一步探索。

  随着研究的深入,这个团队发现了液态金属的更多潜力:在一定条件下,它既可以由一滩液体缩成一个球体,也可以逆其道而行之;两块带电的液态金属可以像磁铁一样相互吸引,并融合成一个“大块头”;加大电场的电压,这团亮晶晶的物体还能表演不少“大动作”。

  在刘静的指导下,张洁、姚又友和他们的师兄盛磊将这些发现写成论文,投递给知名学术期刊《美国科学院院报》。但由于评审时间过长,这一成果被来自美国北卡莱罗纳大学的一个学术团队抢先发表。

  “你们要坚信自己可以做出新东西,要坚持。”刘静不急不躁地安慰年轻人们。

  尽管有老师的鼓励,那段时间张洁还是觉得很郁闷。

  她并不知道,当自己的耐心细致又一次开了小差时,奇妙的现象再次出现了。

  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。按照“规定动作”,此时张洁需要用玻璃棒剥去氧化物。但这个姑娘“实在懒得动弹”,就随手抄起桌上的一张铝箔,卷成小棍,伸向那些恼人的家伙。

  仿佛仙女手中的魔法杖,小小的铝棒触碰液态金属的刹那,竟同时赋予了它“生命”:在未加电场的情况下,那滴安静圆润的镓铟合金忽然在盛满氢氧化钠溶液的培养皿里面“奔跑”起来。

  张洁还没来得及反应,同时在场的姚又友已经惊讶地叫起来:“它竟然自己动了!”

  在两个年轻人目不转睛的注视下,金属液滴不停地“跑圈”。“原电池反应么?”师姐说。“反应产生的气体推动的?”博士一年级在读的师弟说。

  整整一个小时过去了,沉浸在学术探讨里的姚又友回过神来,再次惊呼:“它竟然还在动!”

液态金属把铝块给“吞吃”了,然后奔跑起来

  比起电影里凶神恶煞般的机器人,躺在实验室里的“终结者”雏形,显得弱小无害。在实验过程中,它们总是保持着圆滚滚的形态,身形最大也不过几个立方厘米。

  它们的“骨骼血肉”全都是镓铟合金。其中镓占到75%。这种密度比铁略大的稀有金属在自然界中常以微量分散于铝土矿、闪锌矿等矿石中,是一种熔点低、不易挥发、安全性相对较高的液态金属。和汞一样,它也拥有银光闪闪的颜色。

  在论文附带的视频中,这些安静而圆润的家伙被人类加以诸多考验。它们有的被“要求”走直线,接受速度测试;有的被“下令”不停绕圈,检验耐力如何;它们不得不参与的最高难度的测试是,沿着U形或N形的槽道前进,以查看其转弯和在不同宽窄处的应变能力。

  此前有精密仪器学科背景的姚又友亲自为它们设计了“赛道”,这些金属们的表现令他惊叹:即使体型稍显肥胖的家伙也能强迫自己瘦身,挤进狭窄的通道中。在经过转弯处时,它们还会停顿下来,仿佛要“喘口气儿”,再“思考一下人生”,然后才继续前行。

  “一块身长5mm的液态金属能达到5cm/s的运动速度,是其体长的10倍,已经很快了。”刘静凝望着视频里奋力奔跑的银色小球,语气中透露着自豪。

  研究团队对这些“智能”行为作出的解释是:在电解液里,活泼金属铝与液态金属表面形成原电池,这种电化学反应改变了液态金属表面的张力,在其内部形成电荷流动,从而像车轮一样驱动液态金属前行。

  刘静打了个比方:“人吃了饭,才有力气跑跑跳跳,其能量的转化过程本身也是一个复杂的生化反应。你可以理解为,液态金属把铝块给‘吞吃’了。”

  “宛如有生命一般”,这也是刘静把液态金属的这种机理命名为“仿生型自驱动液态金属软体动物”的原因。

  “它的某些行为显现出跟生命体非常相像的特征。”这位在清华一路读完本硕博的教授兴奋地说,“生命体吃进去的食物会随着机体的运动代谢掉,而液态金属‘吃掉’铝块会生成气体,也可以看做是一种代谢。”他说,“液态金属可以分裂和聚合的特性,与草履虫很相像。”

  在几个80后、90后博士研究生中学的生物课本里,草履虫所属的单细胞动物,正是地球上最早出现的原生动物之一。

  身为《终结者》系列的电影粉丝,刘静对实现T1000的想法特别乐观,早在14年前,他已经注意到液态金属身上的潜能。

  2001年,他已经把液态金属运用到解决计算机芯片的散热问题上。相比传统的风扇和水管,液态金属无需额外提供动力,且体积小巧,仅靠固、液之间的物理转化就能达到吸热放热的目的。

  当这项成果早于美国若干年申请专利之时,一家工厂的老板还曾将信将疑地问他:“国外都没有这种技术,你这行得通吗?”

  长久以来,科学界对液态金属的关注比较有限。在研究之初,刘静团队很难找到几篇相关论文,“一切都需要从头开始,一点点地摸索”。

  “研究液态金属很孤独。”坐在办公桌后,他盯着桌面上一个金属质地的小机器人摆设冷冷地说,“因为研究者甚少,你有时会怀疑自己所做的事,到底是不是足够重要”。

  但这位科学家还是相信自己的判断:这种既能像金属一样导电导热,又能像水一样流动变形的材料身上,一定还有更多人们未知的本事。

  听闻液态金属“自己动起来”的那个瞬间,刘静感到兴奋又欣慰,“科学上偶然和必然总是相伴的,我们确实很幸运,但这离不开此前的积累。”

  回忆那一刻,他的语气里充满了激昂。“液态金属是自然界的馈赠。我相信这个领域会像上世纪二十年代的物理学那样,有一个大爆发。”

它可能叫醒贪睡的孩童,也可能进入人体实施手术

  当这个“世界首次”发现通过论文迅速传遍海内外时,它的热度也像搭载了最容易导热的金属一般,从学术界蔓延到舆论界。

  长久以来的冷清被另外一个极端打破。刘静的电子邮箱里,每天涌进十几封采访邮件。仅仅两小时之内,他的手机响了三次,座机响了一次,接受了三家不同媒体的采访。

  在此之前,几家外媒和国家级电视台也已分别到过实验室,对论文视频里的几个实验进行现场拍摄。

  “很高兴大家这样关注。”忙碌了一上午,这位46岁的教授擦了擦额头的汗说。

  面对媒体的频繁到访,一向低调严肃的张洁感到疲惫。“实验结果并不是每一次都特别理想。”她说,“为了镜头里的完美,要占用大半天时间反复去做。”拍摄结束时,她累得一句话也不想说。

  但在每一个平静做研究的日子里,这些年轻人的心情却很少陷入沉重,即使实验一直没反应,大家也会用调侃来活跃气氛。姚又友就时不时跟张洁开玩笑说:“师姐,快来给仪器‘开开光’。”

  除了上课、写论文和做实验,像其他这个年纪的姑娘一样,26岁的张洁喜欢看美剧、品尝美食,热爱“自然界赋予的美好事物”。她可以为了丁香园食堂的一份红烧鱼骑车穿越大半个校园,也会为了欣赏春日里的二月兰特意绕路化学系。

  面对忽然汹涌而来的赞誉,她用一贯冷静的语调表示,“我不是学霸,只是普通人。”

  眼下,针对“软体金属动物”的研究还在继续,并有了更多新的发现。

  刘静的脑子里则有一些更为大胆的想法。他相信,这些“软体金属动物”不会永远泡在溶液里,“就像生命从海洋诞生,直到走向陆地”。

  他和他的团队正在寻找方法,让这些软绵绵的家伙站起来。姚又友试过给液态金属加一个竖直方向的电场;利用毛细现象让液态金属附着在其他金属表面,以此作为骨架……在数以百计的试验过程中,这个爱好健身,“对形体有要求”的男生有时甚至会对着液态金属念叨:“嘿,哥们儿,站起来一下呗。”

  “有了眼下的发现做基础,真正实现T1000那样的液态金属机器人是有可能的。”刘静说,“但他绝不会像《终结者》里那样残酷,而是会成为人类的朋友和帮手。”

  “它可能挤进紧锁的房门,叫醒贪睡的孩童。也可以作为一名医生,进入人体的肠道实施手术。”刘静说,“我甚至想好了它的名字,就叫icompany(伴侣)。”

 

2015年04月01日 16:29:38  清华新闻网

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