个别细菌会游到马达外缘上蚀刻的 15 个微室中,然后它们露在外面的鞭毛就会像螺旋桨一样合力转动马达,与河水推动水磨旋转有着异曲同工之妙。

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2017 年 6 月 28 日,罗马萨皮恩泽尔大学(Sapienza Università di Roma)和罗马纳米技术研究所 NANOTEC-CNR 的物理学教授 Roberto Di Leonardo 领衔的科研团队在《自然通讯》(Nature Communications)杂志网站上发表了他们的对细菌驱动马达的科研成果。

“比起之前基于野生型细菌和扁平结构的设计,我们最新的设计不仅转速更高,波动性也大幅减小,” Leonardo 说,“我们能生产大量利用光作为最终能源的可独立控制的转子阵列。有朝一日,这些设备将能以低廉的成本,作为微型机器内部的一次性驱动器,而这些微型机器人将用于细胞的收集与整理,为微型生物医疗实验做出贡献。”

上文所提过到液体里包含着大量的游动细菌,由于其自身蕴含的机械能而被称为“活性液体”。为了让“活性液体”转化成推动微型机器运转的燃料,就必须让所有杂乱无章的细菌都朝着一个方向游动。

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在最新的设计中,为了使细菌施加的扭矩最大化,每个马达外缘上的微室都以 45 度角向外倾斜;科研人员还建造了一个放射线状的斜坡,并适当地布置了“路障”以引导细菌直接进入微室。在实验中,他们发现马达的转速与捕获细菌的数量呈线性增长,同时也能轻松地实现每分钟 20 转的转速。

而对于任何由细菌驱动的微型马达来说,另一个不可忽视的要求就是对转速的控制。为了做到这一点,科研人员修改了大肠杆菌的基因,使它表达出一种叫“变形菌视紫质”的光驱动质子泵。它能利用光能抵消电势能来驱动质子,提高细菌的游动速度。再通过不同光强的照射,转速就能得到控制。

但为了让这些系统发挥实际用处,不仅仅得控制单个马达的转速,还得让所有马达都在保持在统一转速。幸运的是,科研人员在一种反馈算法的帮助下,证实了只要每隔十秒钟用光线均匀照射一次,就能有效地同步所有马达。利用这样的光控方法,就能均一化控制一组马达的转速。

显然,这些由细菌驱动的微型马达在医学上有着不可估量的应用前景,科研人员已经计划对将它们用于药物输送的方向展开研究。

(来源:深科技)

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