“萬(wàn)物霜天竟自由”的美景無(wú)時(shí)無(wú)刻不在反映著(zhù)地球上最神秘而復雜的主體——生命。生物體實(shí)現生長(cháng)發(fā)育、新陳代謝、遺傳變異以及對外界刺激做出反應等生命行為都離不開(kāi)活物質(zhì)，自然界活物質(zhì)的范疇涉及從簡(jiǎn)單的分子到高等生物個(gè)體。在對自然的敬畏和好奇心的驅使下，人類(lèi)從未停止過(guò)對人造活物質(zhì)以及傳統碳基生命之外的可能生命形式的猜想和探索。通過(guò)有目的地構建功能物質(zhì)和靈活的組合方案設計，人造生命物質(zhì)有望像自然界中的生物一樣擁有廣泛的適應性，從而突破漫長(cháng)的生物進(jìn)化過(guò)程。

在眾多功能物質(zhì)中，液態(tài)金屬如鎵基、鉍基合金等以其獨特的物理、化學(xué)和生物綜合性質(zhì)脫穎而出。這類(lèi)材料兼具金屬與非金屬、剛性與柔性、無(wú)機與有機的共同特性，它們往往具有高導熱、高導電、高沸點(diǎn)、高摻雜率等優(yōu)秀的物理性質(zhì)，同時(shí)金屬界面的高化學(xué)活性使其可以與各種物質(zhì)通過(guò)氧化還原反應或電化學(xué)作用相結合進(jìn)而形成形態(tài)和功能各異的復合體。此外，液態(tài)金屬還具有良好的生物相容性和環(huán)境相容性，并能主動(dòng)或被動(dòng)地對各種外場(chǎng)刺激作出反饋。尺度、功能和形態(tài)的千變萬(wàn)化為液態(tài)金屬模仿綺麗多彩的自然生命創(chuàng )造了先決條件。

近日，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所劉靜研究員團隊系統提出了液態(tài)金屬活物質(zhì)的概念，并全面闡述了液態(tài)金屬活物質(zhì)的完整材料體系和技術(shù)研發(fā)路徑。相關(guān)成果以“類(lèi)生物液態(tài)金屬活物質(zhì)（Biosimilar Liquid Metal Living Matter）”為題發(fā)表在Matter上。論文第一作者為理化所直博生李婧怡，通訊作者為劉靜研究員和特別研究助理趙曦博士。

文章就液態(tài)金屬活物質(zhì)的概念、液態(tài)金屬活物質(zhì)體系的構建方法、液態(tài)金屬類(lèi)生命系統所能達到的智能水平以及實(shí)現液態(tài)金屬類(lèi)生命體面臨的主要挑戰等問(wèn)題進(jìn)行了闡述，并就液態(tài)金屬活物質(zhì)領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展機遇與前景做出展望。類(lèi)似于生物學(xué)行為的是，液態(tài)金屬一系列基礎現象和效應如自推進(jìn)、自形變、自振動(dòng)、自適應、自修復、自組織和主動(dòng)運輸等行為正被逐步揭示出來(lái)；在感知各種外場(chǎng)如電場(chǎng)、磁場(chǎng)、熱場(chǎng)、光場(chǎng)、聲場(chǎng)以及復合場(chǎng)作用方面，液態(tài)金屬活物質(zhì)表現出趨電性、趨磁性、趨熱性、趨光性、趨聲性、復合趨向性等類(lèi)生物學(xué)行為。通過(guò)充分挖掘液態(tài)金屬非傳統的物理、化學(xué)和生物能力，可望按照生物體的大小、結構和功能，逐步建立旨在實(shí)現液態(tài)金屬活物質(zhì)的邏輯路線(xiàn)和技術(shù)方法，由此制造從細胞、組織、器官到完整生命的人造仿生體。這可能會(huì )引發(fā)從基礎研究到功能實(shí)現，從單一物質(zhì)到復合材料體系，從微觀(guān)到宏觀(guān)，從簡(jiǎn)單到復雜的人造仿生體的變革性飛躍。

值得指出的是，以上闡述的液態(tài)金屬活物質(zhì)體系，在前期探索中已顯現端倪。近年來(lái)，圍繞以鎵為主要元素的室溫液態(tài)金屬的研究，陸續揭示了此類(lèi)功能物質(zhì)極為豐富的類(lèi)生物自主性和外場(chǎng)響應行為，為構筑液態(tài)金屬類(lèi)生命體奠定了理論基礎。自中國科學(xué)院理化所與清華大學(xué)聯(lián)合團隊首次發(fā)現液態(tài)金屬多變形現象（Adv. Mater. 2014，26，6036）以及液態(tài)金屬自驅動(dòng)軟體機器效應（Adv. Mater. 2015, 27, 2648）以來(lái)，一系列液態(tài)金屬奇特的類(lèi)生物學(xué)行為相繼被揭示，如液態(tài)金屬分身融合型過(guò)渡態(tài)機器效應（Small 2015, 11, 5253)、呼吸獲能現象（RSC Adv. 2016, 6, 94692）、固液組合機器自激振蕩效應（Adv. Sci. 2016, 3, 1600212）、液態(tài)金屬阿米巴變形蟲(chóng)（Sci. Rep. 2017, 7, 7256）、液態(tài)金屬胞吞效應（Adv. Sci. 2017, 4, 1700024）、液態(tài)金屬邏輯器（AISY. 2021, 2000246）、節律響應型水相液態(tài)金屬物質(zhì)（Matter 2023, 6, 2870）以及類(lèi)腦液態(tài)金屬存儲器（Adv. Mater. 2024，36，2309182）等。此外，為豐富液態(tài)金屬作為類(lèi)生命物質(zhì)的材料體系，團隊還創(chuàng )制了大量的新型液態(tài)金屬復合材料，如自鎖性磁響應液態(tài)金屬（Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2210961）、類(lèi)似于肺組織的多孔液態(tài)金屬（Materials Horizons, 2018, 5, 222）以及可漂浮于水面的輕量化液態(tài)金屬（Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 1910709）等，并提出了對于研發(fā)新材料有普遍指導意義的液態(tài)金屬組合材料學(xué)思想（Adv. Mater. 2023, 35, 2303533）。

總的說(shuō)來(lái)，液態(tài)金屬活物質(zhì)體系的構建將液態(tài)金屬的優(yōu)良特性融入到了有序、有界且靈活的空間中，有望在液態(tài)金屬類(lèi)生命體與自然生命體的仿生特性、結構和功能之間架起一座橋梁。液態(tài)金屬活物質(zhì)這一科學(xué)概念、對應材料體系及其技術(shù)邏輯路線(xiàn)的提出，可望為人工生命的構筑和發(fā)展，特別是為未來(lái)制造用以滿(mǎn)足各種特殊需求的復雜生物仿生系統開(kāi)辟一條全新的道路。

圖1. 液態(tài)金屬活物質(zhì)及其類(lèi)生物體系

圖2. 液態(tài)金屬活物質(zhì)要素組成及其類(lèi)生物學(xué)特性

圖3. 構筑液態(tài)金屬活物質(zhì)及其材料體系面臨的機遇與挑戰

文章鏈接：

https://www.cell.com/matter/abstract/S2590-2385(24)00211-X