编者按上月，我国科学家在世界上首次宣布发现了“常温下为液态的金属可无需外部电力自主运动”的独特现象和机制，进而引发国内外知名科学杂志或专业网站的关注。公众更是由此唤起了对电影《终结者》中那个永远打不死的液态金属机器人的记忆。
液态金属究竟有何神奇之处？人类的科学幻想，真的将要再一次变为现实吗？在我们的生活中，液态金属又将以怎样的“角色”出现？为解开与此相关的一连串疑问，《赛先生》专访了做出这一发现的实验团队领头人、清华大学医学院与中科院理化技术研究所双聘教授刘静。

《赛先生》 潘颖

当科学实验室做出某些类生物体的发现后，人们可能会对生命与非生命的边界感到困惑——生命和非生命的区别究竟是什么？

2015年4月24日，国际领先的材料科学期刊《先进材料》发表了一篇由我国科学家撰写的论文《仿生型自驱动液态金属软体动物》，宣布在世界上首次发现了一种异常独特的现象和机制：常温下为液态的金属可无需外部电力自主运动。

这一液态金属采用的是镓铟锡合金，其在常温下为液状，将它置于氢氧化钠溶液中，镓基液态合金可通过“摄入”铝作为食物而实现高速的长时运转，一小片铝即可驱动直径约5 mm的液态金属球实现长达1个多小时的持续运动，速度高达5cm/s。这种柔性机器既可在自由空间运动，又能于各种结构槽道中蜿蜒前行，并随槽道宽窄自行作出变形调整。

该文曾于3月初在线率先发表，刊出后迅速被《新科学家》《自然》《科学》杂志网站等数十个知名科学期刊或专业网站报道和评论，公众更是因此唤起了对科幻电影《终结者》中那个用液态金属构成的永远打不死的机器人T-1000的奇幻记忆，其被子弹打穿后可自动修复，如流体般随意变形，行动范围不受环境空间的限制。

但科幻归科幻，液态金属的发展前景还要由科学实验来奠基。近日，《赛先生》为此专访了做出这一发现的团队领头人、清华大学医学院与中科院理化技术研究所双聘教授刘静。

刘静在美国加州参加国际会议期间。 刘静/供图

液态金属马达有类生命特征从科学上来讲，这种电化学能驱动金属机器运动的机理和机器形式，完全是崭新的发现。试验中令人惊奇的是，我们所采用的作为金属机器主体的镓铟锡合金几乎不会发生自身消耗。

《赛先生》：我们先从这次颇为轰动的发现说起吧。其实严格说来，这次的发现并非是一蹴而就的，而是前期一系列科研成果的又一个进展。去年夏季，你们团队发表的论文内容是首次发现在电场控制下，液态金属与水的复合体可在各种形态及运动模式之间发生转换和变形，而这次的进展是外部电场被内生电场取代，从而首次实现了“自驱动”对吗？

刘静：对的。我们最初是在实验室中偶然发现液态金属受到电刺激后会发生旋转，继而循着这个蛛丝马迹开始研究，看它能不能在各种形态之间发生转换。此次发现的自驱动液态金属机器的具体原理，简单说来就是液态金属可将铝腐蚀，从而避免了铝表面氧化膜的形成，由此提高了铝的电化学活性。同时铝和溶液会发生反应，在镓合金存在的情况下产生了电力和氢气泡。由这样的液态金属、铝和电解液三位一体形成的原电池内生电场，会改变液态金属表面电双层的分布，从而诱发液态金属表面张力出现不均衡，进而对液态金属产生较大的推动力。同时，电化学反应过程中产生的氢气也提升了推力。从科学上来讲，这种电化学能驱动金属机器运动的机理和机器形式，完全是崭新的发现。一些化学物质虽然可通过改变物体表面张力来使之移动，如肥皂在水中扩散驱动纸船，但这样的动力对于密度很大的液态金属机器而言则是微乎其微。

《赛先生》：我们看到液态金属可以随环境而自主变形。看过电影《终结者》的观众会想，我们离那个身体被打穿后马上又如流体一样自发重建恢复的机器人还有多远？可能在科学上，这个科幻的想象引发的问题实际上是：自驱动的液态金属仿生机器在变形之后是否能保持住形状，我们又是否能控制它的运动方向和速度？

刘静：目前在技术上，控制运动速度主要取决于燃料，也就是“喂”给它的食物的多少，以及电解液温度、浓度等等。对于方向控制的问题，如果液态金属在槽道运动的话，它自然是按照槽道走；若处于自由空间，要控制机器的运动方向其实就看如何设计燃料的安放部位。一般须对其加以封装，比如若把燃料置于尾部，会形成朝向头部的一个内在动力源。但作为一台液态金属机器来讲，它一定需要一些内在控制程序，其中有些是基于对环境的响应模式来具体执行的，有些则依靠程序自主控制。我们也可在这种机器的液态结构上做一些调整，但还需要尝试，现在只是刚刚开始探索这些细节上的问题。

至于保持形状的问题，也需要逐步落实，但这取决于一些液态金属材料的选取或封装技术。就像我们人体，不管是肌肉还是骨骼，总需要皮肤来保护它，换句话说，液态金属机器同样需要一个外在的辅助材料让其保持形状。

2015年4月24日出版的Advanced Materials杂志内前封面描绘了“液态金属软体动物”的形象。 刘静/供图

《赛先生》：你有没有一种野心，将液态金属机器变成液态金属机器人，加入智能的成分，从而使它更像一种生命？

刘静：我们一直在研究柔性可变形材料及机器，终极目标是制造高度仿生、仿人的机器人。我也在想这个问题：一台机器究竟具备什么特点后就会像一种生命呢？我们说，此次的发现好似生命体是经过慎重研究后得出的结论。试验中令人惊奇的是，我们所采用的作为金属机器主体的镓铟锡合金几乎不会发生自身消耗。这与一些借助化学反应来驱动物体的情况存在本质区别，比如钠钾合金在水里可发生快速运动，但这是以剧烈燃烧和消耗自身为代价的。自驱动液态金属机器没有自体消耗这一点就非常像一个生命体。这台机器籍以产生动力的燃料用量是非常小的，只要“吃掉”1%～10%的铝就足以驱动剩余90%多的机器主体运动，“吃”得多一点或少一点都行，有时候甚至只要1%的铝就足够了，且运动的持续时间相当长，这是传统机器无法比拟的。

至于加入智能成分将来做出一种仿生命的机器人，我觉得有很大的潜力，但的确需要引入一些特殊控制和组合。

如果只是创造一台普通的机器，那么毫无疑问，它应该是可以有一定智能的，具体可通过设计编程实现，比如植入芯片，让它做各种动作在技术上是可行的。但这不能仅依靠液态金属本身，就像刚才说的，它一定需要各种材料结合起来用，才能发挥多种多样的功能。

而如果要更加智能化，我们甚至设想通过一定的生命电信号来刺激引导它的行为，那样的话可能就不需要编程了，但这个时候它属于液态金属机器，还是生命？这是值得推敲的。当然，最终会不会做成这样，目前我也不确定。

这样发展下去，牵涉的就是神经学的研究了，而神经功能主要就是通过传输和响应电信号实现的。如果我们要为残疾人做一些辅助机械，将这种机械跟人体结合起来，或者修复断裂损伤的神经，那么它的信号如何传递？我想，液态金属是一个非常好的切入点，它可能是半神经、半体液的。这都是我们实验室在努力做的，也是液态金属一个很实际的重要用途，会对生命科学有一些启发。至于细节问题，比如液态金属植入人体的安全性、对神经生长是否有干扰等等，这些都须要逐步明确。

《赛先生》：有人评价你们的成果是“科幻般”的，你怎么看？

刘静：虽然媒体都乐于拿《终结者》来比喻我们的发现，但我觉得还有很大距离。应该说，我们只是开了个头，后面有各种可能性，要从科学上一点一点解决问题，保持实验室的风格，很多科学上的东西最终都要由实验来定义，科幻想像也许算是某种前奏吧。

苹果手机所用并非液态金属苹果手机所用在科学术语上叫做“非晶合金”，室温附近是固态的。制备非晶合金这种金属材料的公司所倡导的“液态金属”更多的是一种商品名。二者无论在科学上还是技术发展逻辑上都属于不同范畴。

《赛先生》：提起“液态金属”四个字，公众最先想到的一般是苹果、三星等大牌流行手机上使用的一种特殊金属材料，具有很强的耐磨性和抗腐蚀性，在商品宣传时也被称为“液态金属”，一度成为重要卖点。而你的研究对象跟这个技术实际上毫无关系对吗？为什么它们都被人称作“液态金属”？

刘静：对，二者尚无直接关系。苹果手机上用的那种金属材料在科学术语上叫做“非晶合金”，室温附近是固态的，因此并非真正的液态金属。一般金属在室温下都为固体，内部的原子结构往往是呈周期性对称有序排列的，是一种典型的晶体排列结构，当金属被高温加热至熔融状态时，它的晶格开始被逐渐破坏，原子由固态下的长程有序排列，变为液态时的短程有序。如果这个时候通过人为技术手段，将熔融状态的液体金属进行非常急速的冷却，金属会因来不及结晶而在室温或低温下还保留着液态时原子结构松散混乱的特点，从而表现出一般金属所没有的优异性能，比如高强度。

所以，在和我们日常生活有关系的室温环境下，非晶合金仍旧是固体，只不过其内部原子结构此时和液体时比较相似而已。而真正室温下的液态金属有很多有意思的特性。制备非晶合金这种金属材料的公司所倡导的“液态金属”更多的是一种商品名，与液态有本质区别。二者无论在科学上还是技术发展逻辑上都属于不同范畴。

《赛先生》：我们知道，除了汞以外，一般的金属单质在室温下都是固态的，室温下的液态金属有哪些？你实验中用的是镓基金属，一般人对镓这种元素很陌生，如何想到将它作为研究对象？

刘静：其实人类发现液态金属的历史已经很久了，虽然除了汞以外，其他金属单质的熔点大都在室温以上，但把几种金属掺在一起得到的合金就有可能在室温下是液态的，比如钠钾合金。钠和钾这两种元素自身的熔点都很高，但是做成合金以后，熔点可以在0摄氏度以下，只是钠钾合金很危险，遇水极易爆炸，所以我们不用。

即便不是合金，镓这种元素的熔点本身就很低，只有29.78摄氏度，放在手上都差不多要熔化了，这是我们选择它的一个重要原因，熔点低的东西做起实验来比较方便。其实，镓用作化合物在现代电子工业里已有很广泛的用途，比如氮化镓、氧化镓，但作为一种化学元素，人们很少拿它跟液态金属联系起来。所以我有时候也在思索，为什么液态金属发现了那么久，镓也早就在门捷列夫的元素周期表里了，但长期以来液态金属的大量珍贵特性实际上被深藏闺中而未被人所识。

《赛先生》：除了镓基金属，你们还研究其他的液态金属吗？这次实验发现用的是镓基金属，是因为它比其他的液态金属有什么优势吗？

刘静：我们也研究其他液态金属，比如铋基合金。为获得更多合适的合金，我们甚至还为此提出了“液态金属材料基因组”。通过不断的研究，不同金属制备出的合金有可能会导致新的科学和应用发现，比如推动一些生物学上的应用。其实不管是什么合金，我们所要做的就是了解它的特性，根据我们的需求来调整它的熔点、流体特性、热学特性、导电性，另外还要给它做出磁性来。实际上，我们实验组要做的就是这些工作。至于具体做什么合金，取决于我们在实际应用中需要材料的什么特性，镓基金属本身与其他液态金属相比，并无所谓有什么优势。比如，如果做一个人体骨骼，更可能用铋基合金，因为它熔点高。注射的时候通过加热让它变成液态，等到了体温下就会凝固成固态，从而起到身体支撑作用。

“下载”电子硬件有了“液态金属个人电子电路打印机”，即便一个不懂电子学的人，只要能上网，就可以随时随地从网上下载订制电路图并做出自己的个性化终端产品。

《赛先生》：你专注于液态金属研究已经十几年了，具体是从什么时候开始的，当初怎么想到要研究非常冷僻的液态金属呢？

刘静：这个过程说起来很有意思。2000年左右，当时计算机的芯片冷却是个大问题，不论是金属导热，还是水冷等传统方法，都在技术上有个极限能力，比如水到了100度就沸腾，所以满足不了实际需求。当时人们想了各种办法，去改进技术，但一直都是在水冷、风冷、热管上打转，不能实现根本突破。如果用液态金属，导热效率就很高，可以达到水的六七十倍，在2000摄氏度附近还处于液态。但一说起液态金属，大家首先想到的是水银（汞），而水银有毒性，最典型的液态金属镓又造价昂贵。这或许是人们没有选择在此方向下功夫的一个重要原因，但最主要的因素还是由于传统观念在人们心目中早已根深蒂固，往往不易被打破。

而我早年对液态金属比较熟悉，知道这种材料的特性，也知道镓基金属是很安全的，所以我心里一直有这根弦。由于长期思索高效能计算机的芯片冷却问题，积累到了适当的时机，仿佛灵光一现，我就把液态金属引进来解决问题。2002年，我们在这项工作上的研究取得了比较大的进展，申请了领域内的第一个专利，这算是一个“分水岭”性质的事件。当时用液态金属冷却CPU还是前所未有的。而现在，用这种技术研制的芯片冷却器已实现产品化进入市场了。

后来，我们把液态金属导热从CPU的冷却推广到更广泛的能源动力系统上，提出了一个更具普适意义的概念，就是“无水换热器”。仅就紧凑度急剧攀升的CPU而言，它的热能尽管不是特别大，功率在一百至数百瓦左右，但热流密度很高；而对于更广泛的工业领域，很多能源、动力系统功率大、能耗高。对于这些场合，如果用水冷却的话，很容易沸腾。这样一来，具备卓越传热性能的液态金属的应用价值就更大了。

《赛先生》：后来你们又做了哪些进一步的探索？

刘静：镓基合金在室温下是液态，很像墨水，又能导电。我就想，能否取代传统的电子油墨去印刷电路板。传统的电路板印刷工艺很复杂，要在电路板上镀上铜等，然后再腐蚀掉，又复杂又耗能，传统油墨的电阻率也高。而且这种印刷技术限制了电路板基底的使用范围，不易在柔性介质上使用，因为高温会损害非金属基底。而利用液态金属，常温下就可能在许多表面上打印电路，甚至是打印一个三维结构。而且所见即所得，不需要复杂的工序，从桌面到墙壁，或者柔性的材质，比如布料、树叶等，都可以，这就完全颠覆了传统的电子电路印刷方式，我称它为“普适制造”。

液态金属柔性电子电路即时打印件。 刘静/供图

《赛先生》：具体讲，这对我们普通人的生活会有什么改变？

刘静：比如说，可以根据需要直接打印组装成各种各样的功能电子器件，如收音机、显示牌与无线体温、心电测量卡等。再或者家里的电线断了，你不用找电工来修，只需要拿装有这种金属墨水的笔在断裂处画一下，就重新接上了线。又比如，你今天身体有点不舒服，用液态金属墨水在不舒服的地方涂上一些，可以形成一个能够测量相关生理信号乃至治疗的电路。你还可以用它在塑料板上发挥创意，画一个独一无二的LED灯。

也就是说，利用这种合金制成的金属墨水可以直接制造电子产品。个人可以尽情发挥创意，直接创造自己需要的东西，不一定样样都去商店买。就像我们今天的人们创造了各种APP满足人各式各样的需求一样，而液态金属打印技术最终可通向“硬件下载”。不难想像，这在电子制造行业会是一个非常大的突破，我一点都不怀疑它的商用前景。起初，针对这种全新的电子制造技术，我想了很久，最后给它起了个名字，叫“梦之墨”，意味着梦寐以求的墨水，英文叫DREAM-Ink，几乎是Direct Writing of Electronics based on Alloy and Metal Ink（基于金属及合金墨水的手写电子技术）的缩写。另一方面，这种材料也为后来的金属3D打印做了准备。实验室内室温金属3D打印方法的出现让人们很惊讶，激发了很多想象，但对我们来说，没有那么意外，纯粹是一个研究工作自然延伸的结果。

《赛先生》：这个技术现在已经有产品了吗？

刘静：2014年已有产品并部分提供企业使用，叫“液态金属个人电子电路打印机”，目前主要是一些高端用户在用。我们接下来还要把它发展成家用的、个性化的消费品，我相信这也是全球的趋势。个性化的产品谁都需要，可过去个性化的产品成本太高，消费不起。而有了这样的个人电子电路打印机，即便一个不懂电子学的人，只要能上网，就可以随时随地从网上下载订制电路图并做出自己的个性化终端产品，等于实现了电子硬件的直接下载，成本很低，说不定只要几十块钱。

现在有很多人在讨论“第三次工业革命”，那么“第三次工业革命”是什么？第一次工业革命通过机器把人力解放出来，第二次工业革命是电气革命，而第三次工业革命可能就是个性化技术的创新，它更彻底地发挥人的能力，让人人都可以制造，就像3D打印机带来个性化创造的震撼一样。

《赛先生》：在研究液态金属墨水的过程中，你们遇到过什么困难吗？

刘静：液态金属的表面特性问题曾一度让我们感到棘手，它很难粘附在各种介质的表面，液态金属的液滴会像水珠一样滚来滚去。为此，我们反复做了很多实验，一度都不成功。直到学材料的高云霞博士加入我们的团队，经过半年的努力，我们通过表面改性解决了这个问题。

《赛先生》：从最初的芯片冷却开始，国外就陆续对你们的成果有很多报道，那么这些年来是否有国际交流或合作呢？

刘静：有一些国际交流，主要是从芯片冷却开始的，但没有国际合作。我们在液态金属研究上比较超前一些，曾有幸获得国际电子封装领域著名刊物的年度唯一最佳论文奖，同行的认可对我们是一种很大的鼓励。这些年，实验室确实有相当长时间内是一路独自前行，遇到过不少困难，但也因此积累了很多经验，在一些工作的开展上走在了前面。如果一项研究各国都在做，那靠我们实验室的现有物质条件，恐怕反倒不见得有竞争上的优势了。比如西方国家已经在某个工作上积累了很多科学技术，我们中国要一下子赶上并超越它，还是存在一定难度的。这说明积累是一个必要的过程。

“婴儿”有什么用？一个新生事物，你说它有什么用呢？我们的科学奖项也过于侧重已经成型的成果甚至是工业化大生产中的产品、产值，而不够鼓励创新的初始。

《赛先生》：在科技成果转化上，你是否总结出了一些经验？

刘静：第一，具备非常坚实的实验室基础是很重要的。比如在液态金属上，除了要研究流体本身，还要有电学、热学、力学、生物学、磁学等的知识和经验，是一个综合性很强的工作。

当然，要实现液态金属的各种用途，需要多种材料配合着用，不能指着液态金属一个就包打天下。总之，“天生我材必有用”，自然界馈赠了很多，我们只要在科学上有到位的研究就能发现。液态金属是“一专多能”的，我觉得这会是一个液态金属的工业时代，我们应该迎接这个时代的到来。

另外一个忠告是，对科技成果转化要有清醒的认识。如何选题相当关键，有的东西如果离实际很远，而你一定要把它推到实际用途上，那么肯定是不成功的。有的时候也的确存在某种幸运，比如你研发的对象，前人已经有很多积累了，而你正好突破了之前的瓶颈并将研究跟实际结合起来，也许很快就会有应用成果。

但是对一些前瞻性的技术，它真的需要相当长的时间。我们现在看到液态金属在高端芯片冷却方面发挥了很大作用，大家觉得是很自然的一件事，但十几年前，这还是很难想象的。技术越超前需要的时间就越多，这是一般规律。

最重要的是，你要知道你在做什么。如果一个工作，有很多人做，而且大家做得非常好了，我往往会告诉实验室，不要去做了，因为这时候做出超前工作的几率不大了。我之所以一直做液态金属，就是因为我比较了解它的独特性能，既是液态的物质，又能导电、导热。有这么丰富特性的东西其实很少，我内心一直非常惊叹大自然的神奇。我经常会想，是不是有一些问题我还没有意识到，所以我就照着科学发展路径去研究，觉得它会催生出很多可能。我从不怀疑在液态金属这个领域包含着异常丰富的科学知识。所以当大家都还没意识到的时候，我们就盯着它了。

另外一个经验是，有的科技成果刚面世的时候，它并不是完美的，但已经可以去用了，所以需要先试点看看，这没什么。但有一点需要讨论，有的东西实际上再怎么转化也转化不了。有时候，我们老是说把多少技术锁在抽屉里面，浪费了多少云云，但实际上很多工作是重复的，那些技术是不是真的有价值呢？

刘静指导学生实验。 刘静/供图

《赛先生》：你认为该如何评价基础研究的价值？

刘静：技术研究确实要体现它的实用价值。但对基础研究而言，科学和知识本身就是价值。科学不一定非要做成产品，它能带来人类对自然的理解，增加新知识，这样的价值已经足够，当然若能作成实际工具，那就更为完满一些。

有一种观念以为，不能变成实用产品的研究叫基础研究，我认为这是不对的。认识自然就是在进行知识财富的积累，有可能促成后人更多的发现，或发展出实际的用途。所以基础研究和应用研究是并存的，并不矛盾。

《赛先生》：可以说，你从一开始做液态金属就是很创新的工作，而创新是要冒很大风险和压力的，在这个过程中遇到过什么问题吗？

刘静：不管是物理、化学还是生物学，要发现一个新东西的确很不容易。而一旦发现了，其实不管是学术界还是工业界，都会意识到这个东西非常重要，有时工业界更敏感。但跟国外比起来，目前国内对待新事物也许还需要再开放一些，新东西出来的时候，可以多一份欣赏的态度。一个新生事物，你说它有什么用呢？我们的科学奖项也过于侧重已经成型的成果甚至是工业化大生产中的产品、产值，而不够鼓励创新的初始。国外不少重要科学奖项的做法值得学习。比如获得诺贝尔奖的石墨烯，刚获奖的时候看不出有多大用途，而成果的取得也并未花去多少经费，但这里面其实有着极为深刻的科学。获得认同之后，由于全球的共同努力，石墨烯在工业上的价值迅速彰显出来。与耗费大量经费而没有成果的研究相比，这样的原创工作确实更值得尊敬。

《赛先生》：你个人在液态金属的研究过程中，遇到过什么责难吗？

刘静：曾有人跟我说：“你这个液态金属芯片冷却有什么用，我们拿普通的东西就能做到，你还弄这个？你这个永远都不会有用！”但我算是内心比较强大的，我在判断一个科学工作该不该做的时候，只看它是否会给我带来新的科学知识和技术。我一直非常清楚自己在做什么，所以不会受困于一些责难，我反倒把那当作某种促进。做科学研究，尤其是创新的东西，真得有一个强大的内心。

《赛先生》：这很像当年英国物理学家法拉第的故事。他在表演圆盘发电机时，一位贵妇人问他，这个发电机有什么用？法拉第回答说：“一个刚刚出生的婴儿有什么作用呢？”

刘静：就是这样。不能用成人的标准评价一个婴儿，的确到成人的时候是可以更好地评价他。但科学的东西，要是一开始就把它掐死了，那就不会有进步。所以中国在科学评价上需要有所改进，引导大家去超越前人，做敢为天下先的事。

《赛先生》：那么液态金属研究的经费主要从哪里来？申请国家的项目课题或基金是不是也有一些挫折？

刘静：在液态金属的研究上，我们很少得到项目经费，去年申报的无一幸免，都没通过，但我从不怀疑全世界一定会广泛应用这些技术。另外，这可能也跟我的个人特点有关系，我不是很喜欢到处去申请课题，如果是花费时间很漫长的那种就基本不去了，我也没有时间对外做特别充分的汇报。不过让我感动的是，我们还是得到了像中国科学院院长白春礼院士和清华大学老校长顾秉林院士、中科院理化所周远院士等前辈的鼓励。目前，我们实验室的基础研究经费主要来源于合作的企业，通过技术转让和课题资助维持团队的运转。我们现在合作的企业有6家，实验室从1999年至今一共有80多项发明专利获得授权。

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