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  在幽暗而廣袤的海底世界，水生動物們各懷絕技。其中尤為令人稱奇的是，烏賊、章魚和魷魚等生物在遭遇捕食者時，能瞬間噴出一團濃墨，趁勢遁逃——這一與生俱來的“神奇本領”，堪稱自然界最為經典的防御策略之一。然而，在過去一百年多來圍繞水下機器人的持續探索中，科學家雖成功模仿了魚類的游動姿態、章魚的靈巧觸手，以及多種感知、通訊與智能行為，卻始終未能復現這種炫酷的“噴墨逃生”絕技。

  如今，這一仿生學與機器人領域的空白終被打破。當科幻電影中的“終結者材料”——液態金屬，遇上海洋神奇生物，奇跡發生了。近日，中國科學院理化技術研究所劉靜教授團隊在 Advanced Composites and Hybrid Materials 上發表了一項題為“Biomimetic liquid metal ink sac”的研究。

  他們借助所發現的液態金屬基礎電化學效應，首創并驗證了“液態金屬墨囊”這一全新仿生技術（圖1）。只需施加微小電壓，液態金屬便能從墨囊中源源不斷地向周圍溶液環境噴射出具有強烈視覺遮蔽效果的“人工墨水”（圖2），同時還能屏蔽電磁信號（圖3）。這一突破不僅賦予了水下機器人乃至潛泳愛好者前所未有的防御與逃生技能，也為液態金屬的仿生工程學應用打開了一扇新的大門。四年級博士生程才與五年級博士生李楠為文章共同第一作者，劉靜教授為通訊作者。

圖1 自然界與人工制成的墨囊。上圖反映的是神奇水生物烏賊噴墨逃生場景，下圖為液態金屬墨囊工作原理及水下仿生機器人實際噴墨情形。

圖2 烏賊噴墨逃生行為與內含液態金屬墨囊的水下機器人噴墨動圖

  創制液態金屬墨囊的核心原理，在于鎵基液態金屬（Galinstan）在電場作用下表現出的奇特界面動態不穩定性。研究發現，在水溶液中對液態金屬施加特定極化電壓時，液態金屬不僅會發生劇烈變形或旋轉，還能克服界面能壘，將其內部的溶質元素（銦和錫）以納米顆粒的形式迅速剝離并噴射至周圍溶液中，形成視覺遮蔽效果極佳的“人工墨水”（圖3）。更為難得的是，這種電化學噴墨行為具有極強的環境適應性——無論是在酸性、中性、堿性溶液（圖4-圖7），乃至模擬海水中，均可穩定發揮作用，只需調整相應的電壓策略及液態金屬組分即可實現精準觸發。

圖3 仿生液態金屬墨囊構成原理與設計方案。a. 仿生機器人分解圖，突出顯示了集成式墨囊組件；b. 直流電壓觸發生成墨水原理；c. 直流電壓作用下從液態合金中加速析出金屬溶質；d. 機器人對抗模擬入侵者的防御能力演示；e. 堿性溶液中產生的墨水對抗電磁干擾的屏蔽效果。

  由液態金屬生成的“人工墨水”展現出令人驚嘆的綜合性能。它擴散速度快、遮光性強，還具備電磁干擾屏蔽能力。測試表明，該墨水能顯著增強對電磁波的吸收損耗（圖3），意味著它不僅能遮擋視線，還可有效干擾水下探測設備，實現視覺與信號的雙重隱身。與此同時，該系統表現出極高的材料利用率和循環壽命：僅需0.1毫升液態金屬，便可完成40次穩定循環，生成總體積約600毫升的墨水懸浮液，相當于初始體積的6000倍。

圖4 液態金屬在整個pH范圍內的噴墨行為表征。a、c、e. 酸性、中性及堿性溶液中極化電壓配置示意；b、d、f. 顯示酸性、中性及堿性溶液中不同噴墨行為的光學圖像；g-i. EGaInSn在酸性(g)、中性(h)和堿性(i)溶液中的循環伏安曲線；j-l. 不同溶液中噴墨過程隨時間變化的墨水擴散面積(j)、平均灰度值(k)和電阻變化(l)的定量比較。

圖5 不同溶液中液態金屬噴墨產物的表征。a-d. 酸性溶液中的產物(陽極機理)：經SEM(a)、TEM(b)和XRD(c)證實的球形In₃Sn納米顆粒及其粒徑分布較寬(d)；e-h. 中性溶液中產物(陰極機理)：經SEM(e)、TEM(f）和XRD(g)證實為不規則的富錫簇，粒徑分布更細(h)；i-l. 堿性溶液中產物(陰極機理)：經SEM(i)、TEM(j)和XRD(k)證實為類似的富錫簇，但與中性條件相比，粒徑分布略寬(l)。

圖6 不同極化電壓作用下影響液態金屬噴墨行為的因素。a-d. 陽極噴墨機理驗證：(a) 酸濃度對氧化物介導的陽極噴墨的影響；(b) 堿性溶液中交流驅動下的EGaIn噴墨；(c) 酸性溶液中EGaIn的陽極噴墨；(d) 純鎵未發生噴墨現象。e-h. 陰極噴墨(堿性溶液)參數優化：Sn含量和液態金屬體積(e)、極化持續時間(f)、電壓幅值(g)以及電解質濃度(h)對生成墨水質量的影響。

圖7 不同組分及極化電壓作用下的液態金屬噴墨情形動圖

  基于上述優異性能，研究團隊將液態金屬墨囊成功集成到仿生烏賊機器人中，完美復現并拓展了自然界水下生物的神奇本領（圖8）。面對模擬“入侵者”，該機器人不僅能呈現與真實烏賊相似的“脈沖噴射”模式——瞬間形成巨大墨云以爭取逃生時間，還可實現超越自然生物極限的“連續噴射”：僅消耗0.5毫升液態金屬，便能維持長達一個多小時的持續噴墨。

  這項工作不僅在物理化學機制上揭示了液態金屬電化學噴射的本質，極大拓展了液態金屬材料的應用邊界，更為未來水下工程學賦予了全新的防護與干擾功能，在深潛運動、水生學考察、環境生態研究以及水下智能軟體機器人等領域展現出廣闊前景。

圖8 配置有液態金屬墨囊的仿生烏賊機器人在兩種不同工作模式下的性能演示。a-b. 脈沖噴墨模式：演示機器人從大腔室(a)和小腔室(b)噴射墨水；c-d. 連續噴墨模式：展示機器人分別由噴射泵(c)和極化電壓(d)控制噴射墨水，凸顯了泵控制的即時響應與電壓控制延遲響應之間的對比情況。

  從自然界水下生物的神奇本領，到科幻感十足的“終結者”材料，這項研究不僅首次揭開了實現人工墨囊背后的理論與技術的神秘面紗，也為水下機器人賦予了前所未有的主動防御與逃生能力。未來，隨著技術不斷成熟，這種搭載“液態金屬墨囊”的無纜水下機器人，有望在深海探測、水下救援及軍事防御等領域大顯身手。而液態金屬這一充滿無限可能的材料，也正一步步突破人類的想象邊界，進而引領下一代智能水下系統的發展潮流。

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