在幽暗而广袤的海底世界，水生动物们各怀绝技。其中尤为令人称奇的是，乌贼、章鱼和鱿鱼等生物在遭遇捕食者时，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，在过去一百年多来围绕水下机器人的持续探索中，科学家虽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，却始终未能复现这种炫酷的“喷墨逃生”绝技。

  如今，这一仿生学与机器人领域的空白终被打破。当科幻电影中的“终结者材料”——液态金属，遇上海洋神奇生物，奇迹发生了。近日，中国科学院理化技术研究所刘静教授团队在 Advanced Composites and Hybrid Materials 上发表了一项题为“Biomimetic liquid metal ink sac”的研究。

  他们借助所发现的液态金属基础电化学效应，首创并验证了“液态金属墨囊”这一全新仿生技术（图1）。只需施加微小电压，液态金属便能从墨囊中源源不断地向周围溶液环境喷射出具有强烈视觉遮蔽效果的“人工墨水”（图2），同时还能屏蔽电磁信号（图3）。这一突破不仅赋予了水下机器人乃至潜泳爱好者前所未有的防御与逃生技能，也为液态金属的仿生工程学应用打开了一扇新的大门。四年级博士生程才与五年级博士生李楠为文章共同第一作者，刘静教授为通讯作者。

图1 自然界与人工制成的墨囊。上图反映的是神奇水生物乌贼喷墨逃生场景，下图为液态金属墨囊工作原理及水下仿生机器人实际喷墨情形。

图2 乌贼喷墨逃生行为与内含液态金属墨囊的水下机器人喷墨动图

  创制液态金属墨囊的核心原理，在于镓基液态金属（Galinstan）在电场作用下表现出的奇特界面动态不稳定性。研究发现，在水溶液中对液态金属施加特定极化电压时，液态金属不仅会发生剧烈变形或旋转，还能克服界面能垒，将其内部的溶质元素（铟和锡）以纳米颗粒的形式迅速剥离并喷射至周围溶液中，形成视觉遮蔽效果极佳的“人工墨水”（图3）。更为难得的是，这种电化学喷墨行为具有极强的环境适应性——无论是在酸性、中性、碱性溶液（图4-图7），乃至模拟海水中，均可稳定发挥作用，只需调整相应的电压策略及液态金属组分即可实现精准触发。

图3 仿生液态金属墨囊构成原理与设计方案。a. 仿生机器人分解图，突出显示了集成式墨囊组件；b. 直流电压触发生成墨水原理；c. 直流电压作用下从液态合金中加速析出金属溶质；d. 机器人对抗模拟入侵者的防御能力演示；e. 碱性溶液中产生的墨水对抗电磁干扰的屏蔽效果。

  由液态金属生成的“人工墨水”展现出令人惊叹的综合性能。它扩散速度快、遮光性强，还具备电磁干扰屏蔽能力。测试表明，该墨水能显著增强对电磁波的吸收损耗（图3），意味着它不仅能遮挡视线，还可有效干扰水下探测设备，实现视觉与信号的双重隐身。与此同时，该系统表现出极高的材料利用率和循环寿命：仅需0.1毫升液态金属，便可完成40次稳定循环，生成总体积约600毫升的墨水悬浮液，相当于初始体积的6000倍。

图4 液态金属在整个pH范围内的喷墨行为表征。a、c、e. 酸性、中性及碱性溶液中极化电压配置示意；b、d、f. 显示酸性、中性及碱性溶液中不同喷墨行为的光学图像；g-i. EGaInSn在酸性(g)、中性(h)和碱性(i)溶液中的循环伏安曲线；j-l. 不同溶液中喷墨过程随时间变化的墨水扩散面积(j)、平均灰度值(k)和电阻变化(l)的定量比较。

图5 不同溶液中液态金属喷墨产物的表征。a-d. 酸性溶液中的产物(阳极机理)：经SEM(a)、TEM(b)和XRD(c)证实的球形In₃Sn纳米颗粒及其粒径分布较宽(d)；e-h. 中性溶液中产物(阴极机理)：经SEM(e)、TEM(f）和XRD(g)证实为不规则的富锡簇，粒径分布更细(h)；i-l. 碱性溶液中产物(阴极机理)：经SEM(i)、TEM(j)和XRD(k)证实为类似的富锡簇，但与中性条件相比，粒径分布略宽(l)。

图6 不同极化电压作用下影响液态金属喷墨行为的因素。a-d. 阳极喷墨机理验证：(a) 酸浓度对氧化物介导的阳极喷墨的影响；(b) 碱性溶液中交流驱动下的EGaIn喷墨；(c) 酸性溶液中EGaIn的阳极喷墨；(d) 纯镓未发生喷墨现象。e-h. 阴极喷墨(碱性溶液)参数优化：Sn含量和液态金属体积(e)、极化持续时间(f)、电压幅值(g)以及电解质浓度(h)对生成墨水质量的影响。

图7 不同组分及极化电压作用下的液态金属喷墨情形动图

  基于上述优异性能，研究团队将液态金属墨囊成功集成到仿生乌贼机器人中，完美复现并拓展了自然界水下生物的神奇本领（图8）。面对模拟“入侵者”，该机器人不仅能呈现与真实乌贼相似的“脉冲喷射”模式——瞬间形成巨大墨云以争取逃生时间，还可实现超越自然生物极限的“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。

  这项工作不仅在物理化学机制上揭示了液态金属电化学喷射的本质，极大拓展了液态金属材料的应用边界，更为未来水下工程学赋予了全新的防护与干扰功能，在深潜运动、水生学考察、环境生态研究以及水下智能软体机器人等领域展现出广阔前景。

图8 配置有液态金属墨囊的仿生乌贼机器人在两种不同工作模式下的性能演示。a-b. 脉冲喷墨模式：演示机器人从大腔室(a)和小腔室(b)喷射墨水；c-d. 连续喷墨模式：展示机器人分别由喷射泵(c)和极化电压(d)控制喷射墨水，凸显了泵控制的即时响应与电压控制延迟响应之间的对比情况。

  从自然界水下生物的神奇本领，到科幻感十足的“终结者”材料，这项研究不仅首次揭开了实现人工墨囊背后的理论与技术的神秘面纱，也为水下机器人赋予了前所未有的主动防御与逃生能力。未来，随着技术不断成熟，这种搭载“液态金属墨囊”的无缆水下机器人，有望在深海探测、水下救援及军事防御等领域大显身手。而液态金属这一充满无限可能的材料，也正一步步突破人类的想象边界，进而引领下一代智能水下系统的发展潮流。

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