一些工程師從鳥類飛行的力學(xué)和蜂巢的結(jié)構(gòu)中找到靈感。其他人認(rèn)為要小得多。由康奈爾大學(xué)農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)學(xué)院生物與環(huán)境工程教授吳明明領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)??造了細(xì)胞大小的機(jī)器人，可以由超聲波驅(qū)動和操縱。盡管它們的尺寸很小，但這些微型機(jī)器人游泳者——其運(yùn)動受到細(xì)菌和精子的啟發(fā)——有朝一日可能成為一種強(qiáng)大的靶向藥物輸送新工具。

該團(tuán)隊(duì)的論文“由超聲波遠(yuǎn)程控制的受生物啟發(fā)的微型機(jī)器人游泳者”于9月22日在英國皇家化學(xué)學(xué)會的出版物L(fēng)abonaChip上發(fā)表。

該論文的第一作者是前博士后研究員羅濤。

十多年來，吳的實(shí)驗(yàn)室一直在研究微生物，從細(xì)菌到癌細(xì)胞，遷移和與環(huán)境交流的方式。最終目標(biāo)是創(chuàng)造一個可以在人體內(nèi)導(dǎo)航的遙控微型機(jī)器人。

“我們現(xiàn)在可以制造比鳥類更好的飛機(jī)。但在最小的規(guī)模上，在很多情況下，大自然比我們做得更好。例如，細(xì)菌經(jīng)過數(shù)十億年的進(jìn)化來完善它們的做事方式，”吳說。“這讓我們認(rèn)為我們實(shí)際上可以設(shè)計類似的東西。如果你可以將藥物送到目標(biāo)區(qū)域，比如癌細(xì)胞，那么你就不會有那么多副作用。”

吳說，它們更巧妙的特性之一是細(xì)菌可以在一秒鐘內(nèi)游動其身體長度的10倍，而精子可以逆流游動。

吳的研究團(tuán)隊(duì)最初嘗試設(shè)計和3D打印一個微型機(jī)器人，模仿細(xì)菌使用鞭毛推動自己的方式。然而，就像早期的飛行員一樣，他們笨重的飛機(jī)太像鳥而無法飛行，這種努力失敗了。當(dāng)羅加入?yún)堑膶?shí)驗(yàn)室時，他們開始探索一種不那么直接的方法。主要障礙是如何為其供電。由于人必須先爬才能走路，因此微型機(jī)器人需要先通電才能游泳。

“細(xì)菌和精子基本上會消耗周圍液體中的有機(jī)物質(zhì)，這足以為它們提供動力，”吳說。“但對于工程機(jī)器人來說，這很困難，因?yàn)槿绻鼈償y帶電池，它們就太重而無法移動。”

該團(tuán)隊(duì)想到了使用高頻聲波的想法。因?yàn)槌暡ㄊ前察o的，所以它可以很容易地用于實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。作為額外的獎勵，美國食品和藥物管理局認(rèn)為該技術(shù)可安全用于臨床研究。

然而，該團(tuán)隊(duì)被制造過程難住了。羅與康奈爾納米尺度科技設(shè)施(CNF)合作，嘗試用光刻法制作原型，但耗時且結(jié)果無法使用。

當(dāng)CNF購買了一種名為NanoScribe的新型激光光刻系統(tǒng)時，該項(xiàng)目獲得了至關(guān)重要的推動，該系統(tǒng)通過直接寫入光敏樹脂來創(chuàng)建3D納米結(jié)構(gòu)。該技術(shù)使研究人員能夠輕松地在微米級調(diào)整他們的設(shè)計并快速產(chǎn)生新的迭代。

在六個月內(nèi)，羅創(chuàng)造了一個三角形微型機(jī)器人游泳者，看起來像一只昆蟲與火箭飛船交叉。游泳者最重要的特征是其背部蝕刻的一對空腔。由于其樹脂材料是疏水性的，當(dāng)機(jī)器人浸入溶液中時，每個空腔中都會自動捕獲一個微小的氣泡。當(dāng)超聲換能器對準(zhǔn)機(jī)器人時，氣泡會振蕩，產(chǎn)生渦流——也稱為流動——推動游泳者前進(jìn)。

其他工程師之前已經(jīng)制造了“單氣泡”游泳器，但康奈爾大學(xué)的研究人員率先開發(fā)了一種使用兩個氣泡的版本，每個氣泡在各自的腔中都有不同直徑的開口。通過改變聲波的共振頻率，研究人員可以激發(fā)氣泡或?qū)⑺鼈冋{(diào)整在一起，從而控制推動游泳者的方向。

未來的挑戰(zhàn)將是使游泳者具有生物相容性，以便他們能夠在與它們大致相同大小的血細(xì)胞之間導(dǎo)航。未來的微型游泳者還需要由可生物降解的材料組成，以便可以一次派遣許多機(jī)器人。就像只有一個精子才能成功受精一樣，數(shù)量是關(guān)鍵。

“對于藥物輸送，你可以有一組微型機(jī)器人游泳者，如果一個人在旅途中失敗了，那不是問題。這就是大自然的生存方式，”吳說。“在某種程度上，它是一個更強(qiáng)大的系統(tǒng)。更小并不意味著更弱。其中一組是不可戰(zhàn)勝的。我覺得這些受自然啟發(fā)的工具通常更具可持續(xù)性，因?yàn)榇笞匀灰呀?jīng)證明它有效。”

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