在科学史上，
赋予无生命物质以生命体的行为特征
一直是人类理解自然生命的重要目标之一。然而，现有的研究往往依赖于外部场来实现物质的运动和变形，但同时实现高效的运动和变形仍然是一个挑战。此外，传统的可变形机器人在变形能力和通过狭窄空间方面存在限制，尤其是在不需要外部场的情况下实现自主行为方面存在显著挑战。
因此，开发一种
能够在没有外部场的情况下自主运动和变形的仿生机器人
显得尤为迫切。
针对此问题，
清华大学的高建业以及刘静团队
开发了一种仿生液态金属白细胞的设计与制造，揭示了其自主运动和变形机制，并通过实验验证了其在模拟白细胞行为方面的多样能力。相关研究以
“Chemotaxic biomimetic liquid metallic leukocytes”
为题发表在
《Matter》
上。
这篇关于仿生液态金属白细胞研究的学术论文主要介绍了一种能够模拟白细胞自主行为的液态金属仿生体。该研究通过利用液态金属的特性，实现了无需外部场的情况下同时进行自推进和变形，为开发创新的医疗疗法开辟了新途径。
以下是对本研究创新点的简要概述：
（1）开发了一种仿生液态金属白细胞：
设计并制造了一种能够模拟白细胞行为的液态金属仿生体，实现了包括自吞噬、大规模自变形、振荡自推进、自分裂和融合，以及逆重力自攀爬等多种自主行为。
（2）实现了无需外部场的自推进和变形：
通过优化液态环境和引入不对称化学反应，构建了一个化学振荡系统，使液态金属仿生体能够在没有外部场的情况下自主推进和变形。
（3）揭示了液态金属白细胞的运动机制：
通过实验和理论分析，揭示了液态金属白细胞自推进和大规模变形的机制，包括表面张力的自适应变化和化学反应的动态调控，为未来开发更先进的仿生机器人提供了理论基础。
1. 液态金属白细胞的设计与制造
液态金属白细胞的设计与制造主要涉及优化液态环境和引入不对称化学反应，以实现其自主变形和运动。
研究者强调了液态金属在酸性溶液中的反应性，通过与金属盐的置换反应和原电池反应，调控液态金属的表面张力，从而促使其变形和运动。具体来说，液态金属在接触到硫酸铜颗粒时，会发生置换反应，生成铜和黑固体，同时形成大量原电池，推动液态金属的运动。此外，研究者还通过在容器中均匀撒布硫酸铜颗粒，并缓慢滴入液态金属，观察到液态金属开始移动并发生大规模变形，展示了其仿生白细胞的行为。
图1 仿生液态金属白细胞的原理、设计与制造
2. 自推进与变形的化学机制
液态金属白细胞的自推进与变形机制主要依赖于其表面张力的动态变化和化学反应的调控。
在液态金属与硫酸铜颗粒接触时，会发生置换反应和原电池反应，导致液态金属表面张力的周期性变化。这种变化促使液态金属从球形变为扁平状，并驱动其自推进运动。具体来说，置换反应生成的铜在液态金属内部形成原电池，产生电子流动，导致表面张力的降低，从而推动液态金属向前移动。此外，液态金属在运动过程中会不断吞噬铜颗粒，维持其自推进和变形行为。这种机制不仅揭示了液态金属白细胞的运动原理，也为开发无需外部场的自主变形和推进系统提供了新的思路。
图2 液态金属白细胞的振荡自推进
3. 逆重力攀爬与复杂地形穿越
液态金属白细胞展示了逆重力攀爬与复杂地形穿越的能力。
在实验中，研究者将通道倾斜并引入特定浓度的盐酸和硫酸铜颗粒，观察到液态金属白细胞能够迅速攀爬至5度的斜坡。这一行为主要归因于液态金属在氧化和还原过程中的交替表面张力变化，提供了足够的向上推力以克服重力。此外，液态金属白细胞在波状坡面上也表现出良好的穿越能力，通过调整硫酸铜颗粒的分布，实现了在不同地形下的有效运动。这些发现表明，液态金属白细胞在复杂环境中的适应性和机动性，为未来在灵活传感器和微流体等领域的应用提供了可能性。
图3 液态金属白细胞的逆重力攀爬行为
4. 障碍物的自主导航与变形
液态金属白细胞在面对障碍物时表现出卓越的自主导航与变形能力。
在实验中，研究者在培养皿中随机固定一定数量的障碍物球，观察到液态金属白细胞能够自由穿梭于由障碍物球形成的狭窄间隙中。当液态金属白细胞通过狭窄间隙时，它会变形为细长形状，通过后恢复原状。这种变形行为主要归因于液态金属白细胞在不同曲率半径下的压力差，推动其通过障碍物。此外，液态金属白细胞在通过单个障碍物球时可能会分裂为两部分，但在受限空间中，这两部分会再次合并。这些结果表明，液态金属白细胞在复杂环境中的灵活性和适应性，为其在实际应用中的障碍物导航提供了新的解决方案。
图4 液态金属白细胞的变形与障碍物穿越
5. 液态金属白细胞的应用前景
液态金属白细胞因其出色的变形、自推进和路径控制能力，在多个领域展现出巨大的应用前景。
首先，作为灵活传感器，液态金属白细胞可以部署在难以到达的区域，如土壤孔隙和建筑微小裂缝中，通过表面张力的变化转化为可测量的电信号，实现对环境参数的精确感知和实时监测。其次，在微流体芯片中，通过控制环境中的化学浓度梯度，可以引导液态金属白细胞的运动路径，精确控制微通道内流体的流动，实现复杂的流体操作。此外，液态金属白细胞在模拟自然界复杂机制方面的进展，有望推动具有更高移动性和适应性的液态金属机器人的发展，为智能材料和结构的自主适应和响应提供新的途径。
图5 液态金属白细胞与白细胞行为的比较
综上所述，本论文提出了
一种仿生液态金属白细胞的设计与制造方法
，并通过实验揭示了其在自推进、大规模变形、逆重力攀爬和复杂地形穿越等方面的行为机制。这些行为主要依赖于液态金属与周围环境的不对称化学反应，尤其是置换反应和原电池反应，导致表面张力的动态变化。研究还展示了液态金属白细胞在通过障碍物时的灵活变形和自主导航能力。这些发现不仅为理解液态金属动力学和物理化学提供了新的视角，也为开发具有自推进和自修复能力的液态金属生命系统奠定了基础。
未来，液态金属白细胞在
灵活传感器、微流体控制以及智能材料等领域
具有广泛的应用前景，有望推动液态金属机器人在复杂环境中的适应性和机动性研究。
参考资料：
https://doi.org/10.1016/j.matt.2025.101991
来源：
EngineeringForLife
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