液態(tài)金屬基賽博格生物醫(yī)學(xué)時(shí)代

孫旭陽(yáng) 袁博

賽博格（cyborg）是一種帶有強(qiáng)烈的科幻氣息和未來(lái)科技色彩，似乎只存在于科幻小說(shuō)和電影里的經(jīng)典形象，比如《機(jī)械戰(zhàn)警》中將人類(lèi)頭腦與機(jī)械身體結(jié)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(jī)動(dòng)隊(duì)》中由人工精心組裝構(gòu)成的機(jī)械與人類(lèi)組織互融的仿生人女主草薙素子。

賽博格：生物與電子機(jī)械的高度融合

人類(lèi)對(duì)人與機(jī)械關(guān)系的描述可以追溯到300多年前。法國(guó)著名哲學(xué)家笛卡兒試圖將人比作機(jī)器，將人所有生理活動(dòng)與行為理解為機(jī)械運(yùn)動(dòng)，據(jù)此試圖探尋肉體與靈魂的關(guān)系。然而，人的血肉之軀終究不是機(jī)械，無(wú)法抵御各種外部刀槍利炮的機(jī)械傷害，所以人類(lèi)對(duì)機(jī)械的身體一直存在著某種向往。1960年代，兩位科學(xué)家克萊恩斯（M. Clynes）與克萊恩（N. Kline）首次提出了賽博格一詞，當(dāng)時(shí)被用來(lái)描述在太空中的人需要借助生物化學(xué)活性物質(zhì)與機(jī)械裝備來(lái)應(yīng)對(duì)外部環(huán)境的挑戰(zhàn)[1]。賽博格是控制論（cybernetic）與有機(jī)體（organism）的縮寫(xiě)結(jié)合，意指有機(jī)體與外部機(jī)械、電子等組合而形成一個(gè)半人半機(jī)械的系統(tǒng)。1980年代，女性主義學(xué)者哈拉維（D. Haraway）發(fā)表了具有突破性的《賽博格宣言》，對(duì)賽博格的理解打破了物種、生命體與非生命體、物質(zhì)與想象的界限。21世紀(jì)初，一位來(lái)自英國(guó)的天生色盲的藝術(shù)家哈比森（N. Harbisson）通過(guò)安裝一枚“機(jī)械眼”，成為首位半機(jī)械人?？茖W(xué)家為他定制的“眼睛”可以識(shí)別外部的顏色，將顏色信息轉(zhuǎn)化為聲波信息，再通過(guò)植入的方式連接到頭骨，轉(zhuǎn)為可被識(shí)別的聽(tīng)覺(jué)信號(hào)。對(duì)他而言，繽紛的色彩世界轉(zhuǎn)變成了一連串的音符，科技的輔助彌補(bǔ)了人類(lèi)的缺陷，同時(shí)又創(chuàng)造性地顛覆了人類(lèi)對(duì)世界的認(rèn)知。

新時(shí)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(hù)裝置，縮小了可以進(jìn)血管清除血栓、入細(xì)胞成為智能藥物，還可替換人類(lèi)損壞的組織器官，與人體形成協(xié)作統(tǒng)一的有機(jī)/無(wú)機(jī)的雜化體，這為新一代的賽博格系統(tǒng)提出了更高的要求。液態(tài)金屬由于獨(dú)特的流動(dòng)性、良好的生物相容性、優(yōu)異的電學(xué)與熱學(xué)性質(zhì)受到了熱管理、柔性機(jī)器、智能電子等領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。液體金屬具有硬度可調(diào)、熔點(diǎn)可調(diào)、可智能響應(yīng)周?chē)h(huán)境、可打印、可印刷等諸多神奇特質(zhì)，在生物醫(yī)學(xué)賽博格系統(tǒng)中有望催生出顛覆性變革應(yīng)用。

液態(tài)金屬血管機(jī)器

21世紀(jì)初，達(dá)·芬奇手術(shù)機(jī)器人橫空出世，成為外科醫(yī)生的“得力助手”。但針對(duì)發(fā)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(xì)微的導(dǎo)管、導(dǎo)絲等直達(dá)患處，醫(yī)生通過(guò)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)或檢測(cè)前方力學(xué)反饋進(jìn)行手術(shù)，手術(shù)質(zhì)量主要依靠醫(yī)生的專(zhuān)業(yè)水平。微型機(jī)器的研發(fā)有望脫離人為因素解決此種困境。微電子機(jī)械系統(tǒng)在微型化與智能化上不斷取得進(jìn)展，將成像與生物傳感器結(jié)合，能夠自主探測(cè)周?chē)碇笜?biāo)，完成取樣、藥物遞送等操作，在生物體微管道內(nèi)發(fā)揮重要作用。

液態(tài)金屬柔性機(jī)器的研發(fā)與由此構(gòu)建的機(jī)器體系，為微型機(jī)器人的眾多挑戰(zhàn)，如驅(qū)動(dòng)、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(zhì)，可打破物理形狀的束縛，穿過(guò)比自身更為狹小的狹縫；由一變多，機(jī)器集群協(xié)同合作，再重塑成新的形狀個(gè)體完成任務(wù)。液態(tài)金屬是常溫下表面張力最高的液體，為水的10倍左右，電場(chǎng)刺激可通過(guò)表面氧化物的去除與合成調(diào)控完成表面積的數(shù)百倍變化。在室溫環(huán)境下，液態(tài)金屬表面可自發(fā)生成納米級(jí)別的自限性氧化膜。通過(guò)氧化反應(yīng)，于材料表面積累大量的氧化物，可降低表面張力，形成不對(duì)稱(chēng)變形與分型結(jié)構(gòu)。對(duì)周?chē)芤簆H的主動(dòng)感知，反過(guò)來(lái)可溶解表面的氧化物，恢復(fù)變形。通過(guò)外加電場(chǎng)還可誘導(dǎo)液態(tài)金屬機(jī)器的定向運(yùn)動(dòng)與定向變形，可實(shí)現(xiàn)在生物體內(nèi)各腔道、管道內(nèi)自由穿梭變形。

最為神奇的發(fā)現(xiàn)，當(dāng)屬液態(tài)金屬的許多類(lèi)生物行為：吞噬一些“食物鋁片”就可像人補(bǔ)充能量一樣開(kāi)啟定向運(yùn)動(dòng)模式[2]；與金屬銅顆粒接觸，可在液態(tài)金屬與顆粒的潤(rùn)濕作用影響下對(duì)顆粒進(jìn)行胞吞；將一個(gè)自驅(qū)動(dòng)機(jī)器分散為若干小機(jī)器，每個(gè)機(jī)器都可維持自運(yùn)動(dòng)行為，在彼此相遇時(shí)又可碰撞結(jié)合而成為一個(gè)靈活自由運(yùn)動(dòng)的個(gè)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(tài)金屬機(jī)器非接觸操控的能力，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器的定向運(yùn)動(dòng)，穿梭狹縫，甚至可逆重力攀爬，擺脫三維空間的束縛。通過(guò)磁場(chǎng)控制，還可調(diào)節(jié)材料硬度，有望完成各種介入性治療。

能源供給在微型機(jī)器領(lǐng)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(zhàn)。吞噬食物的液態(tài)金屬微機(jī)器可以在不外加任何能源供給情況下維持1小時(shí)以上的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器在體內(nèi)的長(zhǎng)時(shí)間工作。另外，由于液態(tài)金屬的彈性模量極低，在生物體血管等微管道內(nèi)穿梭時(shí)不會(huì)像剛性機(jī)器一樣產(chǎn)生摩擦和較大生物阻力。液態(tài)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(xué)反應(yīng)的催化劑，通過(guò)電學(xué)調(diào)控可影響體內(nèi)細(xì)胞的組織電活動(dòng)，對(duì)疾病治療起積極作用。液態(tài)金屬血管機(jī)器人的研發(fā)尚處于起步階段，但此類(lèi)材料的諸多神奇性質(zhì)為新型微型機(jī)器的開(kāi)發(fā)打開(kāi)了新思路。

液態(tài)金屬可注射生物材料

現(xiàn)代醫(yī)學(xué)治療常常需要借助于復(fù)雜、昂貴又體積龐大的醫(yī)療設(shè)備，未來(lái)醫(yī)學(xué)應(yīng)該是向著更精準(zhǔn)化、個(gè)性化又簡(jiǎn)單方便的方向發(fā)展。可以想象未來(lái)患者無(wú)需開(kāi)刀手術(shù)，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(guò)注射的方式將具有功能活性的生物材料、藥物、器件送達(dá)體內(nèi)可顯著降低手術(shù)成本，避免潛在的感染風(fēng)險(xiǎn)，是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。很特別的是，可注射電子被選為2015年改變世界的十大創(chuàng)意之一。美國(guó)哈佛大學(xué)教授利伯（C. Lieber）團(tuán)隊(duì)報(bào)道了可記錄穩(wěn)定的電生理信號(hào)的由聚合物和金屬組成的大型多孔網(wǎng)狀導(dǎo)電材料。

得益于材料本身的流動(dòng)性和良好的電學(xué)特性，液態(tài)金屬可以直接通過(guò)注射的操作，應(yīng)對(duì)生物醫(yī)學(xué)中許多具有挑戰(zhàn)性的難題。比如，2013年清華大學(xué)劉靜教授團(tuán)隊(duì)提出液態(tài)金屬注射式植入電子概念，首次實(shí)現(xiàn)了在體邊注射邊封裝的全液態(tài)電極及其各種復(fù)雜組合，利用同心套管將熔點(diǎn)在10℃左右的液態(tài)金屬與外部封裝層同時(shí)在動(dòng)物組織內(nèi)打出，實(shí)現(xiàn)原位塑型[4]。根據(jù)特性需要，還可實(shí)現(xiàn)柔性電子的三維打印，在目標(biāo)組織構(gòu)筑出三維立體的如射頻識(shí)別（RFID）、電刺激器等功能電子電路，這一措施可為賽博格發(fā)展奠定理論和技術(shù)基礎(chǔ)。進(jìn)一步地，該團(tuán)隊(duì)還首次提出了具有觀念突破性意義的液態(tài)金屬神經(jīng)連接與修復(fù)技術(shù)，可借助液態(tài)電極實(shí)現(xiàn)神經(jīng)電信號(hào)連接并允許導(dǎo)管內(nèi)神經(jīng)生長(zhǎng)，從而輔助神經(jīng)修復(fù)[5]。該項(xiàng)研究在全球范圍被爭(zhēng)相報(bào)道，可望為神經(jīng)損傷、神經(jīng)退行性疾病、生物機(jī)能修復(fù)等經(jīng)典醫(yī)學(xué)難題的解決提供全新思路[6]。

利用材料低熔點(diǎn)相變優(yōu)勢(shì)，液態(tài)金屬還可實(shí)現(xiàn)快速的固液相轉(zhuǎn)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(guī)則骨缺損，加熱還可以將材料融化取出。在低溫誘發(fā)的材料相變中還有神奇發(fā)現(xiàn)。在液態(tài)金屬液滴與生理溶液組成的雙流體相變體中，液滴于固態(tài)冰晶的受限空間可產(chǎn)生劇烈的“微爆破”現(xiàn)象，能夠在毫秒時(shí)間內(nèi)穿透周?chē)鷪?jiān)硬的固態(tài)冰晶，于腫瘤低溫治療中可極大強(qiáng)化對(duì)腫瘤的機(jī)械性殺傷。此方面正在衍生出一系列液態(tài)金屬注射生物醫(yī)學(xué)技術(shù)。

腫瘤的生長(zhǎng)主要靠供給營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)與氧氣的腫瘤大血管。液態(tài)金屬注射體內(nèi)可滯留甚至堵塞腫瘤血管，實(shí)現(xiàn)腫瘤的饑餓療法。另外，液態(tài)金屬是一種天然造影劑，能用于X線(xiàn)、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(diǎn)，注入組織血管，可以清晰看到微米級(jí)終末血管，在X線(xiàn)下具有極高分辨率。結(jié)合材料本身的多功能特性，能夠響應(yīng)外部電、磁、聲、光、熱等多場(chǎng)調(diào)控實(shí)現(xiàn)治療目的，多尺度的液態(tài)金屬生物醫(yī)學(xué)材料、電子可作為新一代的診療一體化平臺(tái)。

液態(tài)金屬可穿戴智能電子

人體皮膚柔軟且富有彈性，未來(lái)賽博格的發(fā)展中所有與皮膚接觸的生物醫(yī)療產(chǎn)品都應(yīng)該是柔性又具有生物安全性的。目前，這些已有的產(chǎn)品功能檢測(cè)器件還都是剛性的，不與人體相兼容。未來(lái)醫(yī)學(xué)中，有望在皮膚上貼附一片小小的柔性貼片就能檢測(cè)人體的各種生理、電生理，甚至是諸如血糖濃度的生化指標(biāo)。液態(tài)金屬具有良好的機(jī)械強(qiáng)度與出色的電學(xué)性能。目前，液態(tài)金屬傳感器已經(jīng)可以檢測(cè)諸如心電、肌電與腦電信號(hào)，檢測(cè)血壓、呼吸、溫度以及人體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等。還有研究者利用液態(tài)金屬制備出仿生眼與具有傳感功能的隱形眼鏡等。

液態(tài)金屬通過(guò)多種激光燒結(jié)、直接印刷、卷對(duì)卷印刷、磁控印刷、轉(zhuǎn)印、選擇黏附印刷等方式可實(shí)現(xiàn)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(dāng)物體靠近衣物時(shí)，服飾上的電路可以通過(guò)電容改變而顯示出特定的電路圖案。另外，科學(xué)家將液態(tài)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(jìn)行腫瘤治療[9]、電刺激與信號(hào)監(jiān)測(cè)等，研發(fā)的液態(tài)金屬紋身貼片，不僅能夠檢測(cè)生理信號(hào)，還可以輔助醫(yī)生進(jìn)行病灶的精準(zhǔn)CT定位。

液態(tài)金屬外骨骼

骨骼是生物體不可或缺的組成部分。對(duì)于節(jié)肢動(dòng)物，諸如昆蟲(chóng)、蝦蟹類(lèi)等，骨骼生長(zhǎng)于身體外部，既能起到形態(tài)支持作用，又可以有效保護(hù)身體內(nèi)部的柔軟組織，這類(lèi)骨的存在形式被稱(chēng)為外骨骼。

人類(lèi)很早就懂得利用外骨骼的原理對(duì)易受傷的柔軟肉體進(jìn)行強(qiáng)化，最典型的例子就是盔甲。美國(guó)、中國(guó)、日本等國(guó)家均已有商品化的機(jī)械外骨骼產(chǎn)品，但這類(lèi)外骨骼仍然有較為笨重、穿戴困難、耗電高、舒適感差等缺點(diǎn)。為解決這一問(wèn)題，科學(xué)家們提出了柔性外骨骼這一新概念，即平時(shí)可像衣物一般柔軟方便穿脫與活動(dòng)，需要時(shí)又可像傳統(tǒng)外骨骼一樣提供極高的支持力。

液態(tài)金屬便是實(shí)現(xiàn)剛?cè)嵯酀?jì)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(diǎn)，液態(tài)金屬可以輕松地實(shí)現(xiàn)流體與固體間的切換?；诖死砟钤O(shè)計(jì)的液態(tài)金屬外骨骼夾具已在云南省曲靖市第一人民醫(yī)院得到了臨床應(yīng)用。這種夾具在平時(shí)就像一塊普通的布料，使用時(shí)加熱即可軟化，可以方便地包裹在待應(yīng)用的肢體處，冷卻后即可定型，起到強(qiáng)力支撐的作用。此外，可附著于常見(jiàn)的絲網(wǎng)材料上，在溫度的控制下實(shí)現(xiàn)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?yōu)榕c人體兼容性極好的柔性材料，可真正實(shí)現(xiàn)可硬可軟的未來(lái)需求?；谝簯B(tài)金屬的柔性外骨骼裝備必將成為未來(lái)柔性外骨骼的主流存在形式之一。

液態(tài)金屬基賽博格時(shí)代

人體是一個(gè)復(fù)雜的生化與電子系統(tǒng)，更高級(jí)的語(yǔ)言、記憶、情緒甚至意識(shí)都是構(gòu)筑于這個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)之上。限于目前人類(lèi)對(duì)自身作為一個(gè)生物個(gè)體的理解還十分有限，通過(guò)外部機(jī)械、電子設(shè)備等與人體構(gòu)筑一個(gè)和諧統(tǒng)一的新個(gè)體，并實(shí)現(xiàn)定向調(diào)控功能還有很長(zhǎng)的路要走。但在生物醫(yī)學(xué)疾病治療與健康檢測(cè)等領(lǐng)域，人類(lèi)已經(jīng)享受到了科技進(jìn)步所帶來(lái)的益處。

基于液態(tài)金屬的諸多類(lèi)生物、智能與多功能特性，可以設(shè)想未來(lái)人類(lèi)的疾病監(jiān)測(cè)與診斷通過(guò)一片小小的皮膚電子紋身芯片就可以實(shí)現(xiàn)；體內(nèi)疾病的治療通過(guò)注射復(fù)合藥劑、微電子產(chǎn)品就可以實(shí)現(xiàn)；面對(duì)器官衰竭，我們是不是可以制造出一個(gè)機(jī)械的“永動(dòng)式”器官替代？人與人溝通交流是否無(wú)需通過(guò)語(yǔ)言，一片植入的電子芯片也可以讓大家云溝通，不受語(yǔ)言的限制，反而可以實(shí)現(xiàn)更高效、快捷的交流？……相信未來(lái)可真正構(gòu)建出一個(gè)與人類(lèi)更加相近（機(jī)械性能匹配）、更加智能的賽博格系統(tǒng)是極其有可能的。

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