2022年04月14日 09:00
【科學快訊】
它像毒液，只不過毒性要輕得多。
撰文 | 栗子
審校 | 王怡博
有一只來自外星的生命體，它能寄生在人類身上，並賦予宿主強大的能力：像流體一般隨意變形和拉伸，進入狹小的空間實施破壞行動。它就是「毒液」。
雖然這種生物是虛構的，但香港中文大學有一群科學家，還是受到「毒液」的啟發，制造出了一種史萊姆機器人，同樣擁有驚人的變形能力，同樣能在逼仄的空間裏自如穿梭，執行特殊的任務。不同的是，研究者給它設定的任務並不是破壞，更多的是拯救。
這只機器人雖然相貌不算喜人，甚至有種糞便的氣質，但在人類的隔空操控之下，它能用身體「吞食」微小的物體；還可以用順暢的動作緊緊裹住銅線，甚至修補斷開的電路。
科學家希望，這樣靈活的機器人未來可以進入人體提供服務，不過究竟是怎樣的服務呢？
史萊姆擁有變身的魔力
史萊姆（Slime），一種黏稠滑嫩又富有彈性的物體，十分擅長變形，在奇幻作品裏常常展現出令人歎為觀止的魔力。回到現實，史萊姆脫去了超自然的光環，但它黏稠又富有彈性的物理屬性依然存在，能屈能伸，捏上去的手感令人愉悅，也因此成為人類的玩具。
制作史萊姆時，最簡單的配方就是聚乙烯醇（PVA）與硼砂的組合，再加上水。其中，PVA常用於制作增稠劑：這種高分子化合物中含有大量的羥基（-OH），與水相遇便會形成許多氫鍵，幫助增加粘稠度。一般來說，PVA聚合度越高，它的水溶液也越容易變得黏稠。
假如再把硼酸加入PVA的水溶液，它會以硼酸根離子的形式存在。這種離子有四個氫氧根，可以和PVA中的羥基（-OH）形成氫鍵，讓PVA大分子們相互交聯起來，有助於形成穩定的網絡結構，制做更黏稠而有彈性的史萊姆。
我們把史萊姆捏在手裏，就能輕易改變它的形狀，甚至讓人疑惑它究竟是固體還是液體。其實，這是一種非牛頓流體（non-newtonian fluid）。我們常見的水和油都是牛頓流體，粘性是恒定的，或者說流動能力是恒定的。而非牛頓流體的粘性並不恒定，根據受力的不同，史萊姆可以變得更像液體，也可以變得更像固體。它在中文裏還有另一個動人的名字，叫做「鬼口水」。
香港中文大學的科學家們開發「毒液」機器人時，也利用了同樣的原理。只不過，他們在PVA和硼砂這兩種原料之外，還加入了釹磁鐵（neodymium magnet）顆粒。這樣一來，一只單純的史萊姆，就變成了可被操控的機器人。
機器人誕生之後，科學家首先便要考驗它的變形技能。當然不是動手捏它，而是從外部施加特定的磁場，讓史萊姆機器人變成想要的形狀。團隊先在模擬器裏做了測試，圓形的鐵磁體能讓機器人變成圓形，更複雜的環形和六角星的形狀，也都能依靠同樣的方法來實現。
而在現實當中，科學家把一只直徑9毫米的小機器人，放在聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）基板上，基板下方4毫米處有一塊永磁體，從機器人的正下方開始奔向遠方。隨著永磁體越跑越遠，機器人的身軀也逐漸拉長，從那個直徑9毫米的「球」，伸展為一條60毫米長的「蛇」，大約是自然長度的7倍。
科學家說，出色的變形能力，讓機器人自如地拉伸。與此同時，機器人受到的摩擦力以及磁場的設置，也讓它把一部分留在原地，留在每一個曾經路過的地方。這樣，人們便可用肉眼觀察它能拉伸到怎樣的程度。
既然機器人可以畫出自己走過的路徑，科學家也不會只讓它畫條簡單的直線。他們修改永磁鐵的運動軌跡，便令史萊姆機器人寫完了港中大的縮寫「CUHK」；又用COMSOL Multiphysics軟件還原了史萊姆的拉伸過程。
人類誤吞了紐扣電池怎麼辦
研究團隊希望，史萊姆機器人可以利用它的變形能力，在各種難於通行的空間裏穿梭，執行從前難以完成的任務。
於是，他們為機器人設計了高難度的運動任務，首先就是狹窄通道。「遊泳池」中的通道（上下不封口）直徑從6毫米開始，縮窄到4.5毫米、3毫米，甚至1.5毫米。結果，機器人在磁鐵的指引下成功遊過了這4條通道，雖然1.5毫米的那條通道，花了大約180秒才完成通行，但在科學家們看來過程是順利的。但這只是第一項任務。
第二項任務中，機器人要穿行的通道變成了四周有壁的管道，且管中不再有液體，任務路徑也不再是直線而是有了曲折。靠著磁鐵的操控，1毫升大小（若換算成正方體，棱長約有10毫米）的機器人，輕松通過了直徑僅5毫米的迂回管道。第三項任務更複雜，科學家除了設置必經的通道，還額外添加了一些無用通道，從而形成一個「迷宮」，且有些路寬有些路窄。這一次，機器人依舊與磁鐵配合默契，到達終點。
第四項任務，史萊姆機器人需要在不平坦的路面上通行，地勢有高有低，相鄰的兩個高點大約距離6.28毫米，而高點與低點之間的垂直距離也有3毫米。結果，這種地形還是沒有難倒善於變形的史萊姆機器人。
通過這些測試，科學家對機器人的適應能力感到欣喜，他們認為這可以有效減少對周圍環境的破壞。之所以提到這一點，是因為研究團隊希望磁性史萊姆有一天能進入人體執行任務。
至於是怎樣的任務，科學家把紐扣電池夾在豬的大腸內壁，模擬人類誤吞的場景：30分鐘後紐扣電池便對腸壁造成了明顯的損傷。那麼，機器人需要擁有抓取物體的技能，才有機會避免此類傷害。
於是，研究團隊用一塊滿是褶皺的模擬胃部模型來測試史萊姆機器人的能力，然後發現它在磁場的作用下走過凹凸不平的道路，幾十秒便來到紐扣電池近旁；並卷曲自己的身體，迅速包裹住紐扣電池，防止它繼續對「人體」造成傷害。
當然，在機器人真正進入人體服役之前，它自身的材質首先不能對人體造成傷害。而史萊姆體內的釹磁鐵就有毒性，為了避免它與人體接觸，科學家用比較穩定的二氧化矽塗層包在它的外面，但安全性還需要得到進一步的證實。
被切斷還能自我修複
除此之外，史萊姆機器人還有一項重要的技能，就是「自愈」。
科學家把一塊史萊姆染成藍色，另一塊染成綠色。然後，將這兩塊史萊姆各切兩段，再讓四只小史萊姆排成一排，藍色與綠色相隔。自愈過程就此開始。很快，它們重新合體成為一只大史萊姆，而顏色變化的部位便是連接處。
為了測試重連後的史萊姆是否依然強韌，科學家把它拉伸到自然長度的8.6倍，藍色和綠色交替的位置也沒有發生斷裂。也就是說，自愈後的史萊姆保持著良好的可塑性，連接處也沒有變得十分脆弱。注意，這項實驗當中的史萊姆，並未添加磁性顆粒。
研究團隊認為，史萊姆強大的自愈能力，是源自硼酸根離子與PVA中的羥基形成的氫鍵。當史萊姆被切斷的時候，斷面處有氫鍵生成，可以迅速觸發自愈機制，不需要接受任何外部刺激，便能讓結構重新變得完整而強韌。
而加了磁性顆粒的史萊姆，被切成五段再隔開擺放，它依然能恢複成圓滿的形狀。科學家制造的史萊姆具有導電性，只要把它兩端連上銅電極，就可以通過電阻的變化測量出自愈有沒有完成。史萊姆被完全切斷時，電路是斷路，電阻無窮大；而史萊姆自愈完成時，電阻會降到最低。
而測量結果也的確展現出了機器人高效愈合的能力，一只史萊姆從被切斷到完全愈合，平均只需消耗3.2秒。這也讓研究團隊受到鼓舞。
從前，有彈性的機器人不少，但那樣的機器人變形能力有限；從前，基於流體的機器人不少，但那樣的機器人通常不穩定，也難以適應環境。如今，科學家們在史萊姆機器人的身上看到了潛力，並希望它有一天可以成為手術工具。團隊打算申請動物實驗的許可，假如結果理想，他們期待五年內能在人體內對這種機器人進行測試。
原論文：
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