中新網(wǎng)北京4月22日電 (記者 孫自法)創(chuàng)制肌肉細(xì)胞和神經(jīng)元等液態(tài)金屬細(xì)胞、“液態(tài)金屬墨囊”可復(fù)現(xiàn)章魚等“噴墨逃生”絕技、構(gòu)建液態(tài)金屬人工突觸和仿生智能、研發(fā)高熵液態(tài)金屬自主運動機器、打造趨化性液態(tài)金屬智能體……
液態(tài)金屬人工細(xì)胞制造方法及其典型結(jié)構(gòu)與形態(tài)。中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所 供圖這些以往只出現(xiàn)在科幻里的產(chǎn)品和情節(jié)，中國科研團隊通過借鑒學(xué)習(xí)神奇的大自然并歷經(jīng)多年持續(xù)攻關(guān)，已將其變?yōu)橛|手可及的現(xiàn)實。團隊在液態(tài)金屬仿生學(xué)領(lǐng)域取得的這一系列重要研究進展，近期分別在多家專業(yè)學(xué)術(shù)期刊發(fā)表。
首創(chuàng)形態(tài)功能各異液態(tài)金屬細(xì)胞
記者4月22日從中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所獲悉，該所低溫科學(xué)與技術(shù)全國重點實驗室液態(tài)金屬與低溫生物醫(yī)學(xué)中心團隊，基于20多年來在液態(tài)金屬物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域的深厚積淀，近期研究提出完整的液態(tài)金屬活物質(zhì)體系，成體系揭示液態(tài)金屬豐富的仿生學(xué)機制，既為探索無機與有機世界的深度交叉融合提供新路徑，也將助力研發(fā)生成更多的類生命物質(zhì)乃至仿生智能體。
研究團隊介紹，自然界選擇通過創(chuàng)造細(xì)胞這一最基本的結(jié)構(gòu)、功能和生物學(xué)單元，極其精妙地自下而上組裝，構(gòu)建出形態(tài)萬千、結(jié)構(gòu)與功能異常復(fù)雜的生命體。由此獲得啟發(fā)，通過構(gòu)造類似于生命細(xì)胞的獨立功能單元和標(biāo)準(zhǔn)化基礎(chǔ)構(gòu)件，可組裝各種功能體。
最近，他們首次創(chuàng)制出形態(tài)和功能各異的液態(tài)金屬細(xì)胞，如阿米巴型、草履蟲型、三角藻屬、紅細(xì)胞型、上皮細(xì)胞、肌肉細(xì)胞、神經(jīng)元等，并揭示出這一基本功能單元在力場、化學(xué)場、電場、磁場、物質(zhì)濃度場和熱場作用下極為豐富的物理化學(xué)特性與優(yōu)異的本征感知能力，彰顯“小腔室，大世界”。
液態(tài)金屬細(xì)胞的問世，提供了一個獨立的可擴展、多功能平臺，其原理具有普遍意義。未來，更多功能體的實現(xiàn)與組裝，正可從這些微小的人工細(xì)胞開始。
在人工突觸和仿生智能方面，研究團隊還從神經(jīng)元獲得啟示，提出并構(gòu)建了一種全新的仿生液態(tài)金屬突觸，可實現(xiàn)長期記憶與聯(lián)想學(xué)習(xí)等功能。
自然界中，人腦智能源于海量神經(jīng)元通過突觸構(gòu)成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，傳統(tǒng)電子器件在工作機制特別是剛性架構(gòu)上與生物突觸存在根本差異。液態(tài)金屬突觸的創(chuàng)制，為開發(fā)更接近生物的、具備長期學(xué)習(xí)與適應(yīng)能力的柔性智能系統(tǒng)提供了新的材料體系與制造范式，沿此可進一步創(chuàng)造出具有環(huán)境感知能力的液態(tài)金屬人工神經(jīng)系統(tǒng)，可在機器人具身智能、先進神經(jīng)擬態(tài)計算等領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用。
“液態(tài)金屬墨囊”復(fù)現(xiàn)“噴墨逃生”
眾所周知，水生動物烏賊、章魚和魷魚等在遭遇危險和捕食者時，能瞬間噴出一團濃墨，趁勢遁逃，這一與生俱來的神奇本領(lǐng)堪稱自然界最為經(jīng)典的防御策略之一。然而，人類迄今雖已成功模仿魚類的游動姿態(tài)、章魚的靈巧觸手以及多種感知、通訊與智能行為，卻很少能復(fù)現(xiàn)這種“噴墨逃生”絕技。
當(dāng)液態(tài)金屬與海洋生物相遇時，這一仿生學(xué)與機器人領(lǐng)域的空白也獲得新突破。研究團隊發(fā)現(xiàn)液態(tài)金屬基礎(chǔ)電化學(xué)現(xiàn)象及噴墨效應(yīng)，首創(chuàng)并驗證了“液態(tài)金屬墨囊”全新仿生技術(shù)。
自然界與人工制成的液態(tài)金屬墨囊噴墨情形。中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所 供圖實驗顯示，這種人工墨囊表現(xiàn)出極高的材料利用率和循環(huán)壽命，其制成的仿生機器人，在面對模擬“入侵者”時，只需微小電壓，便能源源不斷地向周圍環(huán)境噴射出具有強烈視覺遮蔽效果的“人工墨水”，同時還能對電磁波起到顯著的屏蔽作用；既可呈現(xiàn)與自然生物相似的“脈沖噴射”模式，即瞬間形成巨大墨云以爭取逃生時間，還可實現(xiàn)超越生物極限的“連續(xù)噴射”——僅消耗0.5毫升液態(tài)金屬，便能維持長達(dá)一個多小時的持續(xù)噴墨。
研究團隊表示，這一突破不僅為液態(tài)金屬仿生學(xué)研究提出新路徑，也為未來水下工程學(xué)賦予了新的防御與干擾理念，對于深潛運動、水生學(xué)考察、環(huán)境生態(tài)治理乃至發(fā)展水下機器人、深海救援等有重要應(yīng)用價值。
創(chuàng)制高熵液態(tài)金屬自主運動機器
生命體可被視作一個精妙的非平衡態(tài)體系，通過碳、氫、氧、氮、磷及鈣、鋅、鐵等元素近乎無限的空間排列與動態(tài)組合，演化出令人驚嘆的復(fù)雜結(jié)構(gòu)與各類自適應(yīng)、智能響應(yīng)行為。不過，這種“復(fù)雜性”的實驗室復(fù)現(xiàn)長期以來是一道科學(xué)難題。
為此，研究團隊提出“高熵液態(tài)金屬機器”基本原理，將生命熵理念引入液態(tài)金屬機器體系，用以構(gòu)筑更趨復(fù)雜的仿生物質(zhì)組元，通過可預(yù)設(shè)的原子級組分，創(chuàng)制出具有高構(gòu)型熵的液態(tài)金屬自主運動機器，并揭示其獨特的場效應(yīng)作用機制。
高熵液態(tài)金屬機器不僅成為執(zhí)行指令的載體，其自身復(fù)雜的界面動力學(xué)、能質(zhì)傳遞與轉(zhuǎn)化過程，以及表現(xiàn)出的“智能活物質(zhì)”類生命響應(yīng)特性，還打開諸多新的可能。這一實現(xiàn)從“外場控制驅(qū)動”向“物質(zhì)本征仿生”的研究模式轉(zhuǎn)變，不僅為發(fā)展變革性自主機器提供新的創(chuàng)制理論，更從技術(shù)角度對“生命與非生命邊界”這一科學(xué)主題給出物質(zhì)仿生策略。
趨化性液態(tài)金屬仿生白細(xì)胞概念、設(shè)計原理與運動。中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所 供圖除探索物質(zhì)體系的構(gòu)筑機制外，研究團隊還發(fā)現(xiàn)，特殊的工作環(huán)境也會誘發(fā)出獨特的液態(tài)金屬仿生效應(yīng)。他們從生物白細(xì)胞借助化學(xué)梯度自主導(dǎo)航的趨化性中獲得啟示，在液態(tài)金屬中植入非對稱化學(xué)“代謝”機制，成功模擬類似白細(xì)胞吞噬細(xì)菌的動態(tài)過程，這種仿生白細(xì)胞甚至可在無外場干預(yù)下，自主完成5度斜坡攀爬、復(fù)雜地形穿越、障礙物形變適應(yīng)等高階動作。
研究團隊認(rèn)為，這些相應(yīng)發(fā)現(xiàn)突破了現(xiàn)有系統(tǒng)的技術(shù)理念，為開發(fā)仿生各種生物體的先進模擬系統(tǒng)開辟了新途徑。這種趨化性液態(tài)金屬智能體，還在液態(tài)軟體機器人、柔性傳感器、微流控技術(shù)乃至靶向醫(yī)療等領(lǐng)域展現(xiàn)出潛力。(完)