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，而是选择通过创造细胞这一生命最为基本的结构、功能和生物学单元来实现。只要拥有了标准化的单元，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。无疑，若能通过实验手段制造出拥有各类功能的人工细胞，会迎来一系列底层突破与应用。

  在迄今人类已经初步掌握和认识到的各类物质体系中，常温液态金属如镓基合金等正以其丰富独特的物理化学性质打破了无机材料与自然活物质之间的界限，这些流动的金属能够展现出外场响应、吞噬、变形、自主运动等类似于生命体的行为。然而，也限于其自身表面张力主导的特性，液态金属目前许多特立独行的行为，仍主要集中于厘米或毫米级的孤立液滴。这就好比我们拥有一块神奇的活体黏土，却因缺乏精细分割和有序组织的手段，并不能很容易的构造出功能与结构更趋复杂高级的类生命体一样。由此，我们可以提出一个最为基础的问题：即能否在液态金属物质体系中构造出一个类似于生命细胞的独立功能单元，并由此进一步组装出各种功能体？

  顺应这一自然哲理，也源于二十多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刘静团队于2024年提出了完整的液态金属活物质体系（Biosimilar liquid-metal living matter, Matter, 2024），明确指出：要实现复杂的液态金属功能系统，一条关键路径在于首先为此创造出标准化的基础构件。

  近日，该团队在Nanoscale期刊上发表了一篇题为“Biomimetic Liquid Metal Cell”的研究文章，首次创制出液态金属细胞，并揭示出这一基本功能单元十分丰富的物理化学特性，彰显“小空间，大潜能”。文章第一作者为博士生李婧怡，通讯作者为刘静研究员及赵曦博士。

  众所周知，生物体浑然天成的细胞结构主要由细胞膜、细胞质和细胞核组成（图1A），这为人工系统的制造提供了宝贵启示。通过构建最小液态金属细胞单元，可以实现不同结构和尺度的功能体。与生物细胞在自然活物质系统中所处的层级一样，液态金属细胞代表了一大类拥有明确边界、内含功能溶液和介质、能够独立响应环境刺激的微型人工单元。在此篇论文报道的典型构型中（图1B），作者们引入金属液滴作为细胞核，用以提供基本的感知、响应和信息传递功能；周围小腔室中的电解质溶液则充当细胞质，以促进金属核与外部环境之间的相互作用；而最外层的凝胶细胞膜旨在隔离各液态金属单元，同时又起到维持双电层对金属内核的主导作用，并允许胞内物质与外部环境之间的交换。文章建立了一种新型的多层构建方法（图1C），制造出了一系列形态和功能各异的多层柔性细胞结构如阿米巴型、草履虫型、三角藻属、红细胞型、上皮细胞、肌肉细胞、神经元等形态（图1E）。图1F进一步展示了液态金属细胞的渗透行为，反映出封装在内部囊泡中的色素溶液，在浓度梯度驱动下向外部溶液环境中扩散的情形。这些结构特性使得液态金属细胞能够作为独立的系统，借助膜结构与外界发生有效的物质与信息交换。利用复合水凝胶固有的pH和温度依赖性溶胀特性，可以动态调节此类渗透过程。而基于外部刺激诱发出的膜孔径的有效调控，则使得液态金属细胞在可控药物递送方面的应用也颇具潜力。文中提出的液态金属细胞在原理上具有普遍意义，其组分、结构和功能可根据需要在此基础上不断升级换代。虽然这些人工制成的液态金属细胞与受代谢过程调控的生物实体间存在本质区别，但它们成功复制了自然细胞的系统性作用，已展现出广泛的环境适应性和丰富的响应特性，为构筑更为综合的功能体迈出了关键一步。

图1 液态金属细胞制造方法及其典型结构与形态

  生命系统中，及时响应未知变化和风险是活物质赖以生存、适应和进化的基础。作为基本的功能单元，液态金属细胞同样也须面对复杂动态的环境，而非仅是置身于理想内环境的庇护中。作为构建人工系统的基础，液态金属细胞促进了金属液滴从依赖溶液空间向在开放空气环境中作为独立实体发挥功能的转变。由于液态金属细胞的所有组成材料均具有导电性，研究中采用电阻作为关键参数来有效刻画这一人工细胞的动态响应，系列试验揭示出丰富的物理化学效应（图2）。当暴露于外部刺激时，电阻可作为敏感且易于量化的指标，反映细胞内的结构和组成变化，研究表明液态金属细胞具有优异的本征感知能力，在外部机械场、化学场和热场的作用下，均能保持结构完整并呈现出规律性的电阻变化。这些特性在构筑各种功能单元上十分有益。自然环境中，机械应力无处不在，无论其源于流体动力、重力，还是机器人与周围介质发生物理接触，均是如此，液态金属细胞的机械鲁棒性为迅速感知各类压力提供了高效手段（图2C），这一功能单元的引入一方面增强了整体结构的环境适应性，其在压缩测试过程中并未发生结构失效，显示出结构的完整性和变形能力，另一方面其力-电响应特性使得液态金属细胞能够在不同压力下扩展其适应性和物理可重构性。在化学响应方面，自然环境中的化学梯度常常是生命不可回避的因素。本项研究进一步考察了液态金属细胞能否通过维持动态平衡来适应外部化学环境的问题，发现当暴露于与内部细胞质溶液浓度和体积相当的盐酸溶液时，液态金属细胞会表现出明显的形态与物理化学响应（图2D）。对温度波动响应的测试也反映出类似的灵敏性，液态金属细胞对外部温度变化具有很好的整体电学响应特性（图2E），可以对内外环境温度变化实时感知，由此增强了系统抵抗热扰动的能力。

图2 液态金属在机械压力、化学场及温度场作用下的响应行为

  除了静态响应之外，定向运动能力对于液态金属细胞与环境相互作用并执行特定任务也至关重要。试验发现，在直流电场作用下，溶液中的液态金属细胞能够产生有趣的定向旋转（图3），这种运动特性与小腔室中金属内核的体积以及外场电压的幅值密切相关。同时，水凝胶外膜的存在有效隔离了金属内核与外界电极的直接接触，也避免了剧烈氧化，并作为机械传动履带将金属内核的位移转化为细胞整体的宏观运动。而若将内核替换为液态金属磁性流体，还可实现对细胞运动和定位的三维时空控制，说明液态金属细胞具有很大的功能拓展潜力。

图3 液态金属细胞在电场作用下的定向运动特性

  论文还特别探究了液态金属细胞的耐寒特性，即极端低温条件下的稳定性和性能保持问题，评估了液态金属细胞从室温快速冷却至-13 ℃的响应规律（图4），发现由于同时包含凝胶、水溶液、液态金属等组分，液态金属细胞会表现出较之单一物质更为复杂丰富的降温相变过程。总体上，金属内核的引入通过相变诱导的热缓冲从根本上改变了系统的热行为，此种热调节能力增强了液态金属细胞的鲁棒性，使其在极端环境条件下也能保持结构完整性和功能化，这对于低温保存或在恶劣环境中执行任务等应用较为关键。

图4 液态金属细胞经受极端低温作用时的响应情况

  不难看出，液态金属细胞的问世，提供了一个前所未有的独立的可扩展、多功能平台。为说明其应用，文章展示了液态金属细胞在变形通道中的几类工作场景（图5），发现通过集成导电性、磁响应性和形态适应性，可将有关功能单元发展成高灵敏性微型传感器、智能流体阀门、高分辨成像单元以及高效材料运输载体甚至是肿瘤血管栓塞治疗器件等，彰显了液态金属细胞在底层原理与技术上的基础性和衍生性，预计可望在广泛领域中大显身手。

图5 液态金属细胞在流道中的运动和形变行为

  总的说来，此项研究建立的仿生液态金属细胞，向着实现液态金属活物质独立化、结构化和功能可拓展性以及通向集成化迈出了第一步。未来，更多液态金属功能体的实现和组装，正可从这些微小的人工细胞开始。

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