液態金屬基賽博格生物醫學時代

孫旭陽 袁博

賽博格（cyborg）是一種帶有強烈的科幻氣息和未來科技色彩，似乎只存在于科幻小說和電影里的經典形象，比如《機械戰警》中將人類頭腦與機械身體結合的墨菲，《銀翼殺手》中塑造的具有超能力身體的羅伊殺手形象，以及《攻殼機動隊》中由人工精心組裝構成的機械與人類組織互融的仿生人女主草薙素子。

賽博格：生物與電子機械的高度融合

人類對人與機械關系的描述可以追溯到300多年前。法國著名哲學家笛卡兒試圖將人比作機器，將人所有生理活動與行為理解為機械運動，據此試圖探尋肉體與靈魂的關系。然而，人的血肉之軀終究不是機械，無法抵御各種外部刀槍利炮的機械傷害，所以人類對機械的身體一直存在著某種向往。1960年代，兩位科學家克萊恩斯（M. Clynes）與克萊恩（N. Kline）首次提出了賽博格一詞，當時被用來描述在太空中的人需要借助生物化學活性物質與機械裝備來應對外部環境的挑戰[1]。賽博格是控制論（cybernetic）與有機體（organism）的縮寫結合，意指有機體與外部機械、電子等組合而形成一個半人半機械的系統。1980年代，女性主義學者哈拉維（D. Haraway）發表了具有突破性的《賽博格宣言》，對賽博格的理解打破了物種、生命體與非生命體、物質與想象的界限。21世紀初，一位來自英國的天生色盲的藝術家哈比森（N. Harbisson）通過安裝一枚“機械眼”，成為首位半機械人。科學家為他定制的“眼睛”可以識別外部的顏色，將顏色信息轉化為聲波信息，再通過植入的方式連接到頭骨，轉為可被識別的聽覺信號。對他而言，繽紛的色彩世界轉變成了一連串的音符，科技的輔助彌補了人類的缺陷，同時又創造性地顛覆了人類對世界的認知。

新時代的賽博格不是一成不變的，需要可剛可柔，可硬可軟、可感知可鈍化、可仿生可擬物，放大了能變成外骨骼等保護裝置，縮小了可以進血管清除血栓、入細胞成為智能藥物，還可替換人類損壞的組織器官，與人體形成協作統一的有機/無機的雜化體，這為新一代的賽博格系統提出了更高的要求。液態金屬由于獨特的流動性、良好的生物相容性、優異的電學與熱學性質受到了熱管理、柔性機器、智能電子等領域的廣泛關注。液體金屬具有硬度可調、熔點可調、可智能響應周圍環境、可打印、可印刷等諸多神奇特質，在生物醫學賽博格系統中有望催生出顛覆性變革應用。

液態金屬血管機器

21世紀初，達·芬奇手術機器人橫空出世，成為外科醫生的“得力助手”。但針對發病率逐年攀升的心血管疾病治療，需要引入介入治療的方式。比如，將細微的導管、導絲等直達患處，醫生通過個人經驗或檢測前方力學反饋進行手術，手術質量主要依靠醫生的專業水平。微型機器的研發有望脫離人為因素解決此種困境。微電子機械系統在微型化與智能化上不斷取得進展，將成像與生物傳感器結合，能夠自主探測周圍生理指標，完成取樣、藥物遞送等操作，在生物體微管道內發揮重要作用。

液態金屬柔性機器的研發與由此構建的機器體系，為微型機器人的眾多挑戰，如驅動、能耗、可視化、功能化等提出全新的突破性方案。尤其是材料柔性的特質，可打破物理形狀的束縛，穿過比自身更為狹小的狹縫；由一變多，機器集群協同合作，再重塑成新的形狀個體完成任務。液態金屬是常溫下表面張力最高的液體，為水的10倍左右，電場刺激可通過表面氧化物的去除與合成調控完成表面積的數百倍變化。在室溫環境下，液態金屬表面可自發生成納米級別的自限性氧化膜。通過氧化反應，于材料表面積累大量的氧化物，可降低表面張力，形成不對稱變形與分型結構。對周圍溶液pH的主動感知，反過來可溶解表面的氧化物，恢復變形。通過外加電場還可誘導液態金屬機器的定向運動與定向變形，可實現在生物體內各腔道、管道內自由穿梭變形。

最為神奇的發現，當屬液態金屬的許多類生物行為：吞噬一些“食物鋁片”就可像人補充能量一樣開啟定向運動模式[2]；與金屬銅顆粒接觸，可在液態金屬與顆粒的潤濕作用影響下對顆粒進行胞吞；將一個自驅動機器分散為若干小機器，每個機器都可維持自運動行為，在彼此相遇時又可碰撞結合而成為一個靈活自由運動的個體[3]。在吞噬了磁性顆粒或者在表面修飾磁性材料后又可賦予液態金屬機器非接觸操控的能力，可實現機器的定向運動，穿梭狹縫，甚至可逆重力攀爬，擺脫三維空間的束縛。通過磁場控制，還可調節材料硬度，有望完成各種介入性治療。

能源供給在微型機器領域是重要的研究方向，由于體系微小，供能方式和能效都面臨巨大挑戰。吞噬食物的液態金屬微機器可以在不外加任何能源供給情況下維持1小時以上的運動狀態，可實現機器在體內的長時間工作。另外，由于液態金屬的彈性模量極低，在生物體血管等微管道內穿梭時不會像剛性機器一樣產生摩擦和較大生物阻力。液態金屬表面還分布有氧化膜、雙電層、離子與電子等，可作為化學反應的催化劑，通過電學調控可影響體內細胞的組織電活動，對疾病治療起積極作用。液態金屬血管機器人的研發尚處于起步階段，但此類材料的諸多神奇性質為新型微型機器的開發打開了新思路。

液態金屬可注射生物材料

現代醫學治療常常需要借助于復雜、昂貴又體積龐大的醫療設備，未來醫學應該是向著更精準化、個性化又簡單方便的方向發展。可以想象未來患者無需開刀手術，吃些口服藥物或者打些生物活性分子、材料、微電子芯片就可以藥到病除，延緩衰老，甚至提高智力。

通過注射的方式將具有功能活性的生物材料、藥物、器件送達體內可顯著降低手術成本，避免潛在的感染風險，是未來的發展趨勢。很特別的是，可注射電子被選為2015年改變世界的十大創意之一。美國哈佛大學教授利伯（C. Lieber）團隊報道了可記錄穩定的電生理信號的由聚合物和金屬組成的大型多孔網狀導電材料。

得益于材料本身的流動性和良好的電學特性，液態金屬可以直接通過注射的操作，應對生物醫學中許多具有挑戰性的難題。比如，2013年清華大學劉靜教授團隊提出液態金屬注射式植入電子概念，首次實現了在體邊注射邊封裝的全液態電極及其各種復雜組合，利用同心套管將熔點在10℃左右的液態金屬與外部封裝層同時在動物組織內打出，實現原位塑型[4]。根據特性需要，還可實現柔性電子的三維打印，在目標組織構筑出三維立體的如射頻識別（RFID）、電刺激器等功能電子電路，這一措施可為賽博格發展奠定理論和技術基礎。進一步地，該團隊還首次提出了具有觀念突破性意義的液態金屬神經連接與修復技術，可借助液態電極實現神經電信號連接并允許導管內神經生長，從而輔助神經修復[5]。該項研究在全球范圍被爭相報道，可望為神經損傷、神經退行性疾病、生物機能修復等經典醫學難題的解決提供全新思路[6]。

利用材料低熔點相變優勢，液態金屬還可實現快速的固液相轉變，將材料原位注射到骨缺損部位，作為可注射金屬骨骼，既可填充不規則骨缺損，加熱還可以將材料融化取出。在低溫誘發的材料相變中還有神奇發現。在液態金屬液滴與生理溶液組成的雙流體相變體中，液滴于固態冰晶的受限空間可產生劇烈的“微爆破”現象，能夠在毫秒時間內穿透周圍堅硬的固態冰晶，于腫瘤低溫治療中可極大強化對腫瘤的機械性殺傷。此方面正在衍生出一系列液態金屬注射生物醫學技術。

腫瘤的生長主要靠供給營養物質與氧氣的腫瘤大血管。液態金屬注射體內可滯留甚至堵塞腫瘤血管，實現腫瘤的饑餓療法。另外，液態金屬是一種天然造影劑，能用于X線、CT、磁共振成像與光聲成像等多種檢查。由于其高密度的特點，注入組織血管，可以清晰看到微米級終末血管，在X線下具有極高分辨率。結合材料本身的多功能特性，能夠響應外部電、磁、聲、光、熱等多場調控實現治療目的，多尺度的液態金屬生物醫學材料、電子可作為新一代的診療一體化平臺。

液態金屬可穿戴智能電子

人體皮膚柔軟且富有彈性，未來賽博格的發展中所有與皮膚接觸的生物醫療產品都應該是柔性又具有生物安全性的。目前，這些已有的產品功能檢測器件還都是剛性的，不與人體相兼容。未來醫學中，有望在皮膚上貼附一片小小的柔性貼片就能檢測人體的各種生理、電生理，甚至是諸如血糖濃度的生化指標。液態金屬具有良好的機械強度與出色的電學性能。目前，液態金屬傳感器已經可以檢測諸如心電、肌電與腦電信號，檢測血壓、呼吸、溫度以及人體的運動狀態等。還有研究者利用液態金屬制備出仿生眼與具有傳感功能的隱形眼鏡等。

液態金屬通過多種激光燒結、直接印刷、卷對卷印刷、磁控印刷、轉印、選擇黏附印刷等方式可實現柔性電路的制備。柔性功能電路可以印制在纖維或織物上制成可穿戴智能衣物。當物體靠近衣物時，服飾上的電路可以通過電容改變而顯示出特定的電路圖案。另外，科學家將液態金屬功能器件直接印刷到皮膚各種部位，包括手臂、手腕、手掌、手指、膝蓋和背部等作為電子紋身[8]，進行腫瘤治療[9]、電刺激與信號監測等，研發的液態金屬紋身貼片，不僅能夠檢測生理信號，還可以輔助醫生進行病灶的精準CT定位。

液態金屬外骨骼

骨骼是生物體不可或缺的組成部分。對于節肢動物，諸如昆蟲、蝦蟹類等，骨骼生長于身體外部，既能起到形態支持作用，又可以有效保護身體內部的柔軟組織，這類骨的存在形式被稱為外骨骼。

人類很早就懂得利用外骨骼的原理對易受傷的柔軟肉體進行強化，最典型的例子就是盔甲。美國、中國、日本等國家均已有商品化的機械外骨骼產品，但這類外骨骼仍然有較為笨重、穿戴困難、耗電高、舒適感差等缺點。為解決這一問題，科學家們提出了柔性外骨骼這一新概念，即平時可像衣物一般柔軟方便穿脫與活動，需要時又可像傳統外骨骼一樣提供極高的支持力。

液態金屬便是實現剛柔相濟型骨骼裝備最為理想的材料之一。得益于接近于室溫的熔點，液態金屬可以輕松地實現流體與固體間的切換。基于此理念設計的液態金屬外骨骼夾具已在云南省曲靖市第一人民醫院得到了臨床應用。這種夾具在平時就像一塊普通的布料，使用時加熱即可軟化，可以方便地包裹在待應用的肢體處，冷卻后即可定型，起到強力支撐的作用。此外，可附著于常見的絲網材料上，在溫度的控制下實現可逆的大范圍剛度切換。這都完美符合柔性外骨骼的要求。微微加熱融化，外骨骼又可以變為與人體兼容性極好的柔性材料，可真正實現可硬可軟的未來需求。基于液態金屬的柔性外骨骼裝備必將成為未來柔性外骨骼的主流存在形式之一。

液態金屬基賽博格時代

人體是一個復雜的生化與電子系統，更高級的語言、記憶、情緒甚至意識都是構筑于這個復雜系統之上。限于目前人類對自身作為一個生物個體的理解還十分有限，通過外部機械、電子設備等與人體構筑一個和諧統一的新個體，并實現定向調控功能還有很長的路要走。但在生物醫學疾病治療與健康檢測等領域，人類已經享受到了科技進步所帶來的益處。

基于液態金屬的諸多類生物、智能與多功能特性，可以設想未來人類的疾病監測與診斷通過一片小小的皮膚電子紋身芯片就可以實現；體內疾病的治療通過注射復合藥劑、微電子產品就可以實現；面對器官衰竭，我們是不是可以制造出一個機械的“永動式”器官替代？人與人溝通交流是否無需通過語言，一片植入的電子芯片也可以讓大家云溝通，不受語言的限制，反而可以實現更高效、快捷的交流？……相信未來可真正構建出一個與人類更加相近（機械性能匹配）、更加智能的賽博格系統是極其有可能的。

[1]Clynes M E， Kline N S. Cyborgs and Space//Gray C H， FigueroaSarriera H J， Mentor S. The Cyborg Handbook. New York： Routledge， 1995： 29-34.

[2]Zhang J， Yao Y， Sheng L， et al. Self-fueled motors： self-fueled biomimetic liquid metal mollusk. Advanced Materials， 2015， 27（16）： 2648-2655.

[3]Sheng L， He Z， Yao Y， et al. Transient state machines： transient state machine enabled from the colliding and coalescence of a swarm of autonomously running liquid metal motors. Small， 2015， 11（39）： 5178.

[4]Jin C， Zhang J， Li X， et al. Injectable 3-D fabrication of medical electronics at the target biological tissues. Scientific Reports， 2013， 3（6163）： 3442.

[5]Zhang J， Sheng L， Jin C， et al. Liquid metal as connecting or functional recovery channel for the transected sciatic nerve. Eprint arXiv：1404.5931， 2014.

[6]Guo R ， Liu J. Implantable liquid metal-based flexible neural microelectrode array and its application in recovering animal locomotion functions. J. Micromech. Microeng.， 2017， 27： 104002.

[7]Sun X， Yuan B， Sheng L， et al. Liquid metal enabled injectable biomedical technologies and applications. Applied Materials Today， 2020， 20： 100722.

[8]Guo R， Sun X， Yao S， et al. Semi-liquid-metal-（Ni-EGaIn）-based ultraconformable electronic tattoo. Advanced Materials Technologies， 2019， 4（8）： 1900183.

[9]Li J， Guo C， Wang Z， et al. Electrical stimulation towards melanoma therapy via liquid metal printed electronics on skin. Clinical and Translational Medicine， 2016， 5（1）： 21.

[10]Guo R， Wang X， Yu W， et al. A highly conductive and stretchable wearable liquid metal electronic skin for long-term conformable health monitoring. Science China-Technological Sciences， 2018， 61（7）： 1031-1037.

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