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《科技生活》—清华大学教授刘静:激活世上首个液态金属“生命”

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  • 发布时间:2022-09-02 14:38
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【概要描述】在刘静看来,相比于“终结者即将到来”一类的担忧,如何定义“生命”,或许是当下更值得思考的议题。他并不能肯定现代人类社会是否已经准备好接纳一群全新形式的生命,但可以确定的是,当这些镓基液态合金真正被定义为生命的时候,科学的认识和接纳,是比逃避更好的选择。

《科技生活》—清华大学教授刘静:激活世上首个液态金属“生命”

【概要描述】在刘静看来,相比于“终结者即将到来”一类的担忧,如何定义“生命”,或许是当下更值得思考的议题。他并不能肯定现代人类社会是否已经准备好接纳一群全新形式的生命,但可以确定的是,当这些镓基液态合金真正被定义为生命的时候,科学的认识和接纳,是比逃避更好的选择。

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  在刘静看来,相比于“终结者即将到来”一类的担忧,如何定义“生命”,或许是当下更值得思考的议题。他并不能肯定现代人类社会是否已经准备好接纳一群全新形式的生命,但可以确定的是,当这些镓基液态合金真正被定义为生命的时候,科学的认识和接纳,是比逃避更好的选择。

  在一方不大的透明容器里,两只约有成人小指粗细,长度却只有不到一半的液态金属“毛毛虫”,在放有氢氧化钠(火碱)溶液的凹槽里静静地“沉睡”着。但只要“喂”给它们一小块铝箔,这两只银白色的“蚯蚓”就会在凹槽中游走,直到迎头相撞,便旋即合为一体,像编组站里的火车,挂接上新的车厢之后继续前行……

  在著名的材料科学领域期刊《先进材料》(Advanced Materials)上发表论文近两个月以来,清华大学医学院生物医学工程系教授刘静一直在思考一个问题:生命的定义或者说本质究竟应该是什么?因为,被他“宠养”在实验室的那些液态金属的“小精灵”,实在太像活生生的动物了。

  培育“另一种生命”

  刘静在维基百科的搜索栏里输入“寒武纪生命大爆发”,按下了回车键。几秒钟后,电脑显示屏上就出现了一幅古生物学复原图:距今5亿多年前的远古海洋里,形形色色奇怪的生物,正在上演着“相爱相杀”的戏码。这张以海蓝为主色调的科学画,让刘静想起了《先进材料》期刊上,搭配他们研究的那张小封图。

  今年春天,由清华大学医学院生物医学工程系和中国科学院理化技术研究所合作进行的液态金属研究,在《先进材料》上发表了最新的成果。刘静就是论文通讯作者中的一员。这篇名为《仿生型自驱动液态金属软体动物》(Self-Fueled Biomimetic Liquid Metal Mollusk)的论文,描述了“镓(jiā)基液态合金”的一些令人着迷的酷似生命的性质:浸在氢氧化钠溶液里,由镓和铟组成的液态金属合金,能够“吃进”铝箔,并像“吃饱了饭的动物”一样开始移动。

  让液态合金变身成为“软体动物”的本质原因,是这种镓铟合金“吃”铝的过程,剥掉了一部分铝表面的氧化铝层,露出了“新茬”。于是,浸在氢氧化钠溶液里的镓铟合金和铝,就在镓铟合金里产生了内生电场。或者说,这个液态合金和铝组成的系统,发生着类似电池内部的电化学反应。

  这种反应的效果,就是改变了液态金属的表面张力,使金属珠“两侧”能够像公园脚踏船的桨叶那样“拨水”,成为推动金属珠前进的主要动力。与此同时,电化学反应产生的氢气,也形成一个个微小的气泡,成为金属珠移动的辅助动力。

  在刘静看来,这个过程显然不是人们早已熟悉的化学反应。A与B两种物质发生化学反应,通常会导致它们消失,并生成其他的物质。比如说,将锌放入稀硫酸,可以得到硫酸锌和氢气,原来的硫酸和锌则会消减,而且这个过程很快就会完成。但“吃进”铝箔之后的镓基液态合金的表现,则更像进餐后的动物。这些被置于电解液中的合金,只需要一点点铝箔,就可以移动很长时间,而且自身基本不会发生什么变化。这就像一个人吃了一只鸡,随后能在一天时间里完成种种不同的工作,而且这个人无论多少次吃鸡,都不会因此变成半人半鸡的怪物。

  更有趣的是,这些镓基液态合金还有一定的“分身”和“自组装”能力。也就是说,当两个运动中的“软体动物”碰到一起的时候,它们会合为一体;但如果将一个较大的“软体动物”分开,它们就会相伴而行。这后一种特质,如同自然界中那些有着“分身”异能的低等动物,比如海星和蚯蚓。

  正因为镓基液态合金的独特性质,这项研究被《科学》《自然·材料学》等著名学术期刊的官方网站,以及国内外的大量科技媒体报道。论文题目中的关键词“液态金属”和仅仅作为比喻的“动物”,甚至让人不禁感叹,科幻电影《终结者》里的液态金属机器人,在现实生活中已经有了“同类”。

  然而刘静认为,描述这项研究的更为恰当的比喻,也许是第二轮“生命大爆发”的“前奏”。古生物学研究认为,距今5亿多年前的“寒武纪生命大爆发”,被认为是现代动物分类体系的“起点”。或者说,在那个遥远的时间点上,所有无脊椎动物的祖先几乎同时出现。而现在,中国科学院和清华大学的实验室里,已经有若干种不同尺寸,而且由不同配方的镓基液态合金制成的“软体动物”,酷似当年“野蛮生长”的寒武纪海洋。甚至,今天的我们,就处在见证另一场“生命大爆发”的前夜。

  “不过,这些液态金属的人造物可以称为‘生命’吗?如果答案是肯定的,人类准备好接受这些‘异类’了吗?”几个月以来,这两个问题一直在刘静的头脑中盘桓。

  “人机接驳”的“钥匙”

  事实上,刘静和他的团队从事液态合金的相关研究,已有10多年的时间。随着研究的深入,他发现了这些液态金属越来越多的令人着迷的性质。酷似动物的活动模式,只是最新的发现之一。

  中国人常用“水银泻地”来比喻工作流程一气呵成,这个成语也说明,汞(水银)是一种(在常温下)可以快速流动的液态金属。日常生活中另一种常见的金属液态形式,或许是半导体设备制作时,在电烙铁高温下融化的锡。焊接完成之后,随着温度下降,这些焊锡又会回复为固体。

  但在常温下会变为液体的金属,并非只有汞这一种。镓是一种很罕见的金属,它的熔点只有29.8℃。也就是说,在炎热的夏季,镓会变为液态。而铟的熔点也不算高,只有156.6℃。在近几年针对金属3D打印的研究中,科研人员已经发现,镓和铟的合金,或者镓、铟、锡(熔点231.9℃)的合金,由于熔点较低,很适合成为打印的材料。在医学领域,一些低熔点而且无毒的合金还有更重要的价值,那就是可以实现所谓“4D打印”,也就是被移植或者注入病人体内然后成型,从而达成某些医学目的。动物实验表明,通过外科手术,这样的液态金属材料可以将断开的神经信号重新连接,因为金属是导体,而动物的神经活动,本质上传递的是电信号。

  这项由刘静教授首次提出的液态金属神经连接与修复技术,已于2013-2014年前后通过试验得到初步证实,他们还在不断将研究推向深入。近期,在对一只牛蛙进行实验的期间,研究小组却遭遇到了一件蹊跷现象。当时,这只牛蛙被截断了坐骨神经,再以液态金属连接并精心缝合,而后养在一只很深的圆桶里。本来,以这只圆桶的深度,即使是健全的牛蛙也不可能跳出来。但在某一天深夜,这只动过手术的牛蛙却跳出了圆桶,并且在第二天清晨被发现死在实验室的一个角落。这个至今小组也没能在科学上得到完美解释的事件,却至少说明了一个事实,那就是液态金属的确有可能成为“人机接驳”的重要组成,或者说传统意义上的生命体与非生命体连接的“桥梁”。

  刘静熟悉很多科幻小说中“赛博格人”(人机混合体、半机器人)的故事,他也常在课堂上与学生讨论一个问题:“当一个人身上的‘零件’被替换为人造机械或结构的时候,‘人’与‘机器’的界限究竟在哪里?”随着国内外科学界对镓基液态合金研究的深入,这个话题已经不再专属于科幻迷,而是成为研究者必须面对的现实。

  面对异种生命,逃避不如接纳

  在刘静的办公桌上,除了电脑和学术论文,还有一本由作者赠送的最新科幻小说。虽然繁忙的研究工作让他尚无暇阅读哪怕一个最短的故事,但他已经隐约感觉到,科幻作家们的预言很可能是对的:宇宙中的生命,并非只有一种形式。

  20世纪以来,人类对深海、极地、火山等种种极端环境的探索,不断地刷新着人们对生命存在条件的认识。然而,到目前为止,地球上所有人类已知的生命,都属于“碳基生命”,也就是以碳元素为有机物质基础的生物。但在科幻作品中,我们也会见识其他一些“架构”的生命,比如硅基生命和氨基生命。

  而实验室中的这些镓基液态合金“软体动物”,也存在着被定义为“镓基生命”的可能性。它能够在氢氧化钠生活环境中“吃饭”和自主运动的特点,以及凭借液态“身躯”善于“变形”通过狭窄空间的优势,都让它具有了近似于动物的“特质”。甚至,驱动它运动的电化学反应,也可以理解为一种独特的“新陈代谢”。随着技术的进步,它们甚至可能表现出其他一些类似生命的特征,比如通过“自组装”形成更为复杂的个体,甚至进化出基本的智能。这就像一个个细胞构成了人体的组织、器官,最终组成了人体一样。

  在刘静看来,相比于“终结者即将到来”一类的担忧,如何定义“生命”,或许是当下更值得思考的议题。他并不能肯定现代人类社会是否已经准备好接纳一群全新形式的生命,但可以确定的是,当这些镓基液态合金真正被定义为生命的时候,科学的认识和接纳,是比逃避更好的选择。

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