自然界如何构建出从蜉蝣生物到巨型鲸鱼这样形态万千、结构与功能异常复杂的生命体呢？答案在于极其精妙的自下而上的组装。大自然从不试图直接操控一整块庞大的物质，而选择通过创造细胞这一最基本的结构、功能和生物学单元来实现。只要拥有了标准化单元，生命系统即可通过美妙绝伦的复制和组合机制，演化出令人惊异的丰富形态与高级智慧。

顺应这一自然哲理，基于团队二十余年来在液态金属物质科学领域的深厚积淀，中国科学院理化技术研究所低温科学与技术全国重点实验室液态金属与低温生物医学中心团队提出了完整的液态金属活物质体系，指出：通过构造类似于生命细胞的独立功能单元和标准化基础构件，可组装各种功能体。近日，该团队在Nanoscale期刊上发表了题为Biomimetic liquid metal cell的文章，首次创制出形态和功能各异的液态金属细胞如阿米巴型、草履虫型、三角藻属、红细胞型、上皮细胞、肌肉细胞、神经元等（图1），并揭示出这一基本功能单元在力场、化学场、电场、磁场、物质浓度场和热场作用下极为丰富的物理化学特性与优异的本征感知能力，彰显“小腔室，大世界”。

液态金属细胞的问世，提供了一个独立的可扩展、多功能平台（图2），其原理具有普遍意义。未来，更多功能体的实现与组装，正可从这些微小的人工细胞开始。

图1 液态金属人工细胞制造方法及其典型结构与形态

图2 液态金属细胞在流道中的运动和形变行为

在人工突触和仿生智能方面，该团队还从神经元获得启示，提出并构建了一种全新的仿生液态金属突触，可实现长期记忆与联想学习等功能。其原理摒弃了传统的电子态转变，转而模仿生物突触的“电化学结构可塑性”，利用液态金属界面氧化层形貌与离子浓度的协同、持久性变化来重塑和处理信息（图3）。相应成果以Biomimetic liquid metal synapse为题，发表在npj Flexible Electronics期刊上。

自然界中，人脑智能源于海量神经元通过突触构成的复杂网络。传统电子器件在工作机制特别是刚性架构上与生物突触存在根本差异。液态金属突触的创制，为开发更接近生物的、具备长期学习与适应能力的柔性智能系统提供了新的材料体系与制造范式。沿此可进一步创造出具有环境感知能力的液态金属人工神经系统，并使之在机器人具身智能、先进神经拟态计算等领域发挥关键作用。

图3 液态金属神经突触的信号传递与电学响应特性

当液态金属与海洋生物相遇时，也呈现出奇妙的场景。众所周知，在幽暗而广袤的海底世界，有着一群身怀绝技的水生动物，如乌贼、章鱼和鱿鱼等在遭遇危险和捕食者时，能瞬间喷出一团浓墨，趁势遁逃——这一与生俱来的“神奇本领”，堪称自然界最为经典的防御策略之一。然而，人类迄今虽已成功模仿了鱼类的游动姿态、章鱼的灵巧触手，以及多种感知、通讯与智能行为，却很少能复现这种炫酷的“喷墨逃生”绝技。如今，这一仿生学与机器人领域的空白也获得新突破。

近日，理化所团队在Advanced Composites and Hybrid Materials期刊上发表了题为Biomimetic liquid metal ink sac的文章，报道了所发现的液态金属基础电化学现象及喷墨效应，首创并验证了“液态金属墨囊”全新仿生技术（图4），揭开了背后的理论与技术面纱。实验揭示，这种人工墨囊表现出极高的材料利用率和循环寿命。由此制成的仿生机器人，复现了自然界水下生物的神奇本领（图5），在面对模拟“入侵者”时，只需微小电压，便能源源不断地向周围环境喷射出具有强烈视觉遮蔽效果的“人工墨水”，同时还能对电磁波起到显著的屏蔽作用；既可呈现与自然生物相似的“脉冲喷射”模式——瞬间形成巨大墨云以争取逃生时间，还可实现超越生物极限的“连续喷射”：仅消耗0.5毫升液态金属，便能维持长达一个多小时的持续喷墨。

这一突破不仅为液态金属仿生学研究提出新路径，也为未来水下工程学赋予了新的防御与干扰理念，对于深潜运动、水生学考察、环境生态治理乃至发展水下机器人、深海救援等有重要应用价值。

图4 自然界与人工制成的液态金属墨囊喷墨情形

图5 乌贼喷墨逃生行为与设置有液态金属墨囊的水下机器人喷墨动图

生命体可被视作一个精妙的非平衡态体系，通过碳、氢、氧、氮、磷及钙、锌、铁等元素近乎无限的空间排列与动态组合，演化出了令人惊叹的复杂结构与各类自适应、智能响应行为。这种“复杂性”的实验室复现一直是科学界难题。近日，理化所团队在Science China Technological Sciences期刊上，以High entropy liquid metal machines为题，报道了所提出的“高熵液态金属机器”基本原理，将生命熵理念引入液态金属机器体系，用以构筑更趋复杂的仿生物质组元，通过可预设的原子级组分，创制出了具有高构型熵的液态金属自主运动机器，并揭示其独特的场效应作用机制（图6）。高熵液态金属机器不仅成为执行指令的载体，其自身复杂的界面动力学、能质传递与转化过程，以及表现出的“智能活物质”类生命响应特性，打开了诸多新的可能。此项工作所实现的从“外场控制驱动”向“物质本征仿生”的研究模式转变，不仅为发展变革性自主机器提供了新的创制理论，更从技术角度，对“生命与非生命边界”这一科学主题给出了物质仿生策略。

图6 高熵液态金属机器的自主运动与磁场响应特性

除了探索物质体系的构筑机制外，理化所团队还发现，特殊的工作环境，也会诱发出独特的液态金属仿生效应。在此前发表于Matter期刊上的文章Chemotaxic biomimetic liquid metallic leukocytes中，团队从生物白细胞借助化学梯度自主导航的趋化性中获得启示，在液态金属中植入了非对称化学“代谢”机制，成功模拟了类似白细胞吞噬细菌的动态过程（图7），这种仿生白细胞甚至可在无外场干预下，自主完成5°斜坡攀爬、复杂地形穿越、障碍物形变适应等高阶动作（图8）。相应发现突破了现有系统的技术理念，为开发仿生各种生物体的先进模拟系统开辟了新的途径。这种趋化性液态金属智能体还在液态软体机器人、柔性传感器、微流控技术乃至靶向医疗等领域展示潜力。

图7 趋化性液态金属仿生白细胞概念、设计原理与运动机制

图8 液态金属仿生白细胞系列趋化行为动图

以上历时多年的研究，成体系的揭示了液态金属丰富的仿生学机制，为探索无机与有机世界的深度交叉融合提供了新的路径，将有更多的类生命物质乃至仿生智能体得以研发生成。

文章链接：https://doi.org/10.1039/D6NR00291A

https://www.nature.com/articles/s41528-025-00514-4

https://doi.org/10.1007/s42114-026-01692-z

https://doi.org/10.1007/s11431-025-3306-8

https:/doi.org/10.1016/j.matt.2025.101991