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微观世界里的奇兵:藻类细胞机器人

20世纪60年代,一部荣获奥斯卡最佳视觉效果大奖的科幻电影《神奇旅程》描述了科学家驾驶“微型潜水艇”在人体内的冒险之旅,将大众的视线转移到了神奇的微观世界。然而,在微观领域进行探索和操作,需要一类小的机器人作为帮手,它们能在微米尺度、甚至是纳米尺度进行工作。今天就让我们走近一类特殊的微型机器人——藻类细胞机器人,探秘一下这支微观世界里的奇兵。

藻类细胞是一类在水中自由游动的微生物,尺寸通常为几微米至几十微米,只有头发丝直径的十分之一。藻类细胞能够从周围液体环境中获取能量,并高效地将化学能转化为鞭毛的机械能,带动细胞向前游动,游动速度能达到自身体长的十倍以上,可以称得上是微观世界里的高速列车。在它身体的前端还具有一个“眼点”,可以接受光源的刺激,并迅速做出响应。

藻类细胞机器人示意图

藻类细胞机器人示意图

从工程学的角度来看,藻类细胞具有感知和驱动能力,如同一个个微型机器人,然而藻类细胞在水中都是任意游动的,如何让藻类细胞实现机器人化运动,使其按照人们给它发出的指令来运动和做功就不是一件容易的事情了。为了让藻类细胞机器人听从指挥,研究人员设计了一种巧妙的“光引导”系统,就像用绳子牵着牛走一样,利用光线牵引藻类细胞按照人的命令来行动。研究人员给藻类细胞机器人制定了“右转”交通规则,让藻类细胞机器人在微流控管道中经过“十字路口”时,朝向自己的右手边转向,遍历四条“街道”,最后回到自己的出发点。同样可以给藻类细胞机器人事先规划好一条路径,让藻类细胞机器人沿着这条线路运动。

藻类细胞机器人沿着三角形轨迹运动

藻类细胞机器人沿着三角形轨迹运动

在宏观世界里人们可以用牛来拉货,在微观世界中能否利用藻类细胞机器人来传输货物呢?答案是肯定的!通过对藻类细胞机器人的群体控制,研究人员成功实现了对微小物体准确地抓取、可控地传输和精确地释放。

在实现了藻类细胞的机器人化运动基础上,研究人员又进一步实现了藻类细胞机器人的阵列化旋转。结合光诱导介电泳技术(ODEP),实现了对藻类细胞的快速捕获及阵列化旋转,且通过改变光强可有效调节细胞旋转速度。构建的藻类细胞旋转阵列有望作为微尺度马达阵列,在微流控及生物驱动领域发挥重要作用。

Lab on a Chip封面刊载中科院沈阳自动化所藻类细胞机器人的科研成果

Lab on a Chip封面刊载中科院沈阳自动化所藻类细胞机器人的科研成果

藻类细胞定向旋转阵列

藻类细胞定向旋转阵列

利用藻类细胞作为机器人本体,解决了传统的微型机器人在能量供给和控制信息传递方面遇到的问题。通过对藻类细胞机器人的运动控制,已经实现对微小物体和流体的驱动。藻类细胞机器人作为一种新型微型机器人,是微观世界里的奇兵,它们将在生物驱动、药物输运、环境监测和微纳制造等方面为人类做出贡献。(文章来源作者:中国科学院沈阳自动化研究所转载仅供参考学习及传递有用信息,版权归原作者所有,如侵犯权益,请联系删除)



标签:   藻类细胞机器人