来源 | 上海《科学》杂志2022年第74卷第2期

　　题目 | 液态金属3D打印技术

　　作者 | 孙旭阳 袁 博

　　在科技快速发展的今天，借助材料、技术的突破让人类享受更优的生物医疗体验，免遭疾病与自身寿命极限的困扰，甚至获得突破自身极限的能力是人类一直追求的目标。对液态金属的认知与充分开发有助于我们更接近这一目标。

　　赛博格(cyborg)是一种带有强烈的科幻气息和未来科技色彩，似乎只存在于科幻小说和电影里的经典形象，比如《机械战警》中将人类头脑与机械身体结合的墨菲，《银翼杀手》中塑造的具有超能力身体的罗伊杀手形象，以及《攻壳机动队》中由人工精心组装构成的机械与人类组织互融的仿生人女主草薙素子。

　　赛博格：生物与电子机械的高度融合

　　人类对人与机械关系的描述可以追溯到300多年前。法国著名哲学家笛卡儿试图将人比作机器，将人所有生理活动与行为理解为机械运动，据此试图探寻肉体与灵魂的关系。然而，人的血肉之躯终究不是机械，无法抵御各种外部刀枪利炮的机械伤害，所以人类对机械的身体一直存在着某种向往。1960年代，两位科学家克莱恩斯(M. Clynes)与克莱恩(N. Kline)首次提出了赛博格一词，当时被用来描述在太空中的人需要借助生物化学活性物质与机械装备来应对外部环境的挑战 [1]。赛博格是控制论(cybernetic)与有机体(organism)的缩写结合，意指有机体与外部机械、电子等组合而形成一个半人半机械的系统。1980年代，女性主义学者哈拉维(D. Haraway)发表了具有突破性的《赛博格宣言》，对赛博格的理解打破了物种、生命体与非生命体、物质与想象的界限。21世纪初，一位来自英国的天生色盲的艺术家哈比森(N. Harbisson)通过安装一枚“机械眼”，成为首位半机械人。科学家为他定制的“眼睛”可以识别外部的颜色，将颜色信息转化为声波信息，再通过植入的方式连接到头骨，转为可被识别的听觉信号。对他而言，缤纷的色彩世界转变成了一连串的音符，科技的辅助弥补了人类的缺陷，同时又创造性地颠覆了人类对世界的认知。

　　新时代的赛博格不是一成不变的，需要可刚可柔，可硬可软、可感知可钝化、可仿生可拟物，放大了能变成外骨骼等保护装置，缩小了可以进血管清除血栓、入细胞成为智能药物，还可替换人类损坏的组织器官，与人体形成协作统一的有机/无机的杂化体，这为新一代的赛博格系统提出了更高的要求。液态金属由于独特的流动性、良好的生物相容性、优异的电学与热学性质受到了热管理、柔性机器、智能电子等领域的广泛关注。液体金属具有硬度可调、熔点可调、可智能响应周围环境、可打印、可印刷等诸多神奇特质，在生物医学赛博格系统中有望催生出颠覆性变革应用。

　　液态金属血管机器

　　21世纪初，达·芬奇手术机器人横空出世，成为外科医生的“得力助手”。但针对发病率逐年攀升的心血管疾病治疗，需要引入介入治疗的方式。比如，将细微的导管、导丝等直达患处，医生通过个人经验或检测前方力学反馈进行手术，手术质量主要依靠医生的专业水平。微型机器的研发有望脱离人为因素解决此种困境。微电子机械系统在微型化与智能化上不断取得进展，将成像与生物传感器结合，能够自主探测周围生理指标，完成取样、药物递送等操作，在生物体微管道内发挥重要作用。

　　液态金属柔性机器的研发与由此构建的机器体系，为微型机器人的众多挑战，如驱动、能耗、可视化、功能化等提出全新的突破性方案。尤其是材料柔性的特质，可打破物理形状的束缚，穿过比自身更为狭小的狭缝;由一变多，机器集群协同合作，再重塑成新的形状个体完成任务。液态金属是常温下表面张力最高的液体，为水的10倍左右，电场刺激可通过表面氧化物的去除与合成调控完成表面积的数百倍变化。在室温环境下，液态金属表面可自发生成纳米级别的自限性氧化膜。通过氧化反应，于材料表面积累大量的氧化物，可降低表面张力，形成不对称变形与分型结构。对周围溶液pH的主动感知，反过来可溶解表面的氧化物，恢复变形。通过外加电场还可诱导液态金属机器的定向运动与定向变形，可实现在生物体内各腔道、管道内自由穿梭变形。

　　最为神奇的发现，当属液态金属的许多类生物行为：吞噬一些“食物铝片”就可像人补充能量一样开启定向运动模式;与金属铜颗粒接触，可在液态金属与颗粒的润湿作用影响下对颗粒进行胞吞;将一个自驱动机器分散为若干小机器，每个机器都可维持自运动行为，在彼此相遇时又可碰撞结合而成为一个灵活自由运动的个体 。在吞噬了磁性颗粒或者在表面修饰磁性材料后又可赋予液态金属机器非接触操控的能力，可实现机器的定向运动，穿梭狭缝，甚至可逆重力攀爬，摆脱三维空间的束缚。通过磁场控制，还可调节材料硬度，有望完成各种介入性治疗。

　　自驱动液态金属机器 (a)液态金属自驱动机器 [4];(b)可碰撞、聚合的液态金属瞬态机器 。

　　能源供给在微型机器领域是重要的研究方向，由于体系微小，供能方式和能效都面临巨大挑战。吞噬食物的液态金属微机器可以在不外加任何能源供给情况下维持1小时以上的运动状态，可实现机器在体内的长时间工作。另外，由于液态金属的弹性模量极低，在生物体血管等微管道内穿梭时不会像刚性机器一样产生摩擦和较大生物阻力。液态金属表面还分布有氧化膜、双电层、离子与电子等，可作为化学反应的催化剂，通过电学调控可影响体内细胞的组织电活动，对疾病治疗起积极作用。液态金属血管机器人的研发尚处于起步阶段，但此类材料的诸多神奇性质为新型微型机器的开发打开了新思路。

　　液态金属可注射生物材料

　　现代医学治疗常常需要借助于复杂、昂贵又体积庞大的医疗设备，未来医学应该是向着更精准化、个性化又简单方便的方向发展。可以想象未来患者无需开刀手术，吃些口服药物或者打些生物活性分子、材料、微电子芯片就可以药到病除，延缓衰老，甚至提高智力。

　　通过注射的方式将具有功能活性的生物材料、药物、器件送达体内可显著降低手术成本，避免潜在的感染风险，是未来的发展趋势。很特别的是，可注射电子被选为2015年改变世界的十大创意之一。美国哈佛大学教授利伯(C. Lieber)团队报道了可记录稳定的电生理信号的由聚合物和金属组成的大型多孔网状导电材料。

　　得益于材料本身的流动性和良好的电学特性，液态金属可以直接通过注射的操作，应对生物医学中许多具有挑战性的难题。比如，2013年清华大学刘静教授团队提出液态金属注射式植入电子概念，首次实现了在体边注射边封装的全液态电极及其各种复杂组合，利用同心套管将熔点在10℃左右的液态金属与外部封装层同时在动物组织内打出，实现原位塑型 [4]。根据特性需要，还可实现柔性电子的三维打印，在目标组织构筑出三维立体的如射频识别(RFID)、电刺激器等功能电子电路，这一措施可为赛博格发展奠定理论和技术基础。进一步地，该团队还首次提出了具有观念突破性意义的液态金属神经连接与修复技术，可借助液态电极实现神经电信号连接并允许导管内神经生长，从而辅助神经修复 [5]。该项研究在全球范围被争相报道，可望为神经损伤、神经退行性疾病、生物机能修复等经典医学难题的解决提供全新思路 。

　　液态金属神经连接(a) [5]及生物机能修复(b)

　　利用材料低熔点相变优势，液态金属还可实现快速的固液相转变，将材料原位注射到骨缺损部位，作为可注射金属骨骼，既可填充不规则骨缺损，加热还可以将材料融化取出。在低温诱发的材料相变中还有神奇发现。在液态金属液滴与生理溶液组成的双流体相变体中，液滴于固态冰晶的受限空间可产生剧烈的“微爆破”现象，能够在毫秒时间内穿透周围坚硬的固态冰晶，于肿瘤低温治疗中可极大强化对肿瘤的机械性杀伤。此方面正在衍生出一系列液态金属注射生物医学技术。

　　肿瘤的生长主要靠供给营养物质与氧气的肿瘤大血管。液态金属注射体内可滞留甚至堵塞肿瘤血管，实现肿瘤的饥饿疗法。另外，液态金属是一种天然造影剂，能用于X线、CT、磁共振成像与光声成像等多种检查。由于其高密度的特点，注入组织血管，可以清晰看到微米级终末血管，在X线下具有极高分辨率。结合材料本身的多功能特性，能够响应外部电、磁、声、光、热等多场调控实现治疗目的，多尺度的液态金属生物医学材料、电子可作为新一代的诊疗一体化平台。

　　液态金属可穿戴智能电子

　　人体皮肤柔软且富有弹性，未来赛博格的发展中所有与皮肤接触的生物医疗产品都应该是柔性又具有生物安全性的。目前，这些已有的产品功能检测器件还都是刚性的，不与人体相兼容。未来医学中，有望在皮肤上贴附一片小小的柔性贴片就能检测人体的各种生理、电生理，甚至是诸如血糖浓度的生化指标。液态金属具有良好的机械强度与出色的电学性能。目前，液态金属传感器已经可以检测诸如心电、肌电与脑电信号，检测血压、呼吸、温度以及人体的运动状态等。还有研究者利用液态金属制备出仿生眼与具有传感功能的隐形眼镜等。

　　液态金属可穿戴电子用于健康监测 (a)打印于皮肤上的液态金属传感器 [9];(b)身体各部位的液态金属电子纹身 [8];(c)可穿戴液态金属柔性电子用于生理信号检测。

　　液态金属通过多种激光烧结、直接印刷、卷对卷印刷、磁控印刷、转印、选择黏附印刷等方式可实现柔性电路的制备。柔性功能电路可以印制在纤维或织物上制成可穿戴智能衣物。当物体靠近衣物时，服饰上的电路可以通过电容改变而显示出特定的电路图案。另外，科学家将液态金属功能器件直接印刷到皮肤各种部位，包括手臂、手腕、手掌、手指、膝盖和背部等作为电子纹身 [8]，进行肿瘤治疗 [9]、电刺激与信号监测等，研发的液态金属纹身贴片，不仅能够检测生理信号，还可以辅助医生进行病灶的精准CT定位。

　　液态金属外骨骼

　　骨骼是生物体不可或缺的组成部分。对于节肢动物，诸如昆虫、虾蟹类等，骨骼生长于身体外部，既能起到形态支持作用，又可以有效保护身体内部的柔软组织，这类骨的存在形式被称为外骨骼。

　　人类很早就懂得利用外骨骼的原理对易受伤的柔软肉体进行强化，最典型的例子就是盔甲。美国、中国、日本等国家均已有商品化的机械外骨骼产品，但这类外骨骼仍然有较为笨重、穿戴困难、耗电高、舒适感差等缺点。为解决这一问题，科学家们提出了柔性外骨骼这一新概念，即平时可像衣物一般柔软方便穿脱与活动，需要时又可像传统外骨骼一样提供极高的支持力。

　　液态金属便是实现刚柔相济型骨骼装备最为理想的材料之一。得益于接近于室温的熔点，液态金属可以轻松地实现流体与固体间的切换。基于此理念设计的液态金属外骨骼夹具已在云南省曲靖市第一人民医院得到了临床应用。这种夹具在平时就像一块普通的布料，使用时加热即可软化，可以方便地包裹在待应用的肢体处，冷却后即可定型，起到强力支撑的作用。此外，可附着于常见的丝网材料上，在温度的控制下实现可逆的大范围刚度切换。这都完美符合柔性外骨骼的要求。微微加热融化，外骨骼又可以变为与人体兼容性极好的柔性材料，可真正实现可硬可软的未来需求。基于液态金属的柔性外骨骼装备必将成为未来柔性外骨骼的主流存在形式之一。

　　液态金属基赛博格时代

　　人体是一个复杂的生化与电子系统，更高级的语言、记忆、情绪甚至意识都是构筑于这个复杂系统之上。限于目前人类对自身作为一个生物个体的理解还十分有限，通过外部机械、电子设备等与人体构筑一个和谐统一的新个体，并实现定向调控功能还有很长的路要走。但在生物医学疾病治疗与健康检测等领域，人类已经享受到了科技进步所带来的益处。

　　基于液态金属的诸多类生物、智能与多功能特性，可以设想未来人类的疾病监测与诊断通过一片小小的皮肤电子纹身芯片就可以实现;体内疾病的治疗通过注射复合药剂、微电子产品就可以实现;面对器官衰竭，我们是不是可以制造出一个机械的“永动式”器官替代?人与人沟通交流是否无需通过语言，一片植入的电子芯片也可以让大家云沟通，不受语言的限制，反而可以实现更高效、快捷的交流?……相信未来可真正构建出一个与人类更加相近(机械性能匹配)、更加智能的赛博格系统是极其有可能的。