個(gè)別細(xì)菌會(huì)游到馬達(dá)外緣上蝕刻的 15 個(gè)微室中，然后它們露在外面的鞭毛就會(huì)像螺旋槳一樣合力轉(zhuǎn)動(dòng)馬達(dá)，與河水推動(dòng)水磨旋轉(zhuǎn)有著異曲同工之妙。
2017 年 6 月 28 日，羅馬薩皮恩澤爾大學(xué)（Sapienza Università di Roma）和羅馬納米技術(shù)研究所 NANOTEC-CNR 的物理學(xué)教授 Roberto Di Leonardo 領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊(duì)在《自然通訊》（Nature Communications）雜志網(wǎng)站上發(fā)表了他們的對(duì)細(xì)菌驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的科研成果。
“比起之前基于野生型細(xì)菌和扁平結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，我們最新的設(shè)計(jì)不僅轉(zhuǎn)速更高，波動(dòng)性也大幅減小，” Leonardo 說(shuō)，“我們能生產(chǎn)大量利用光作為最終能源的可獨(dú)立控制的轉(zhuǎn)子陣列。有朝一日，這些設(shè)備將能以低廉的成本，作為微型機(jī)器內(nèi)部的一次性驅(qū)動(dòng)器，而這些微型機(jī)器人將用于細(xì)胞的收集與整理，為微型生物醫(yī)療實(shí)驗(yàn)做出貢獻(xiàn)。”
上文所提過(guò)到液體里包含著大量的游動(dòng)細(xì)菌，由于其自身蘊(yùn)含的機(jī)械能而被稱為“活性液體”。為了讓“活性液體”轉(zhuǎn)化成推動(dòng)微型機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的燃料，就必須讓所有雜亂無(wú)章的細(xì)菌都朝著一個(gè)方向游動(dòng)。
在最新的設(shè)計(jì)中，為了使細(xì)菌施加的扭矩最大化，每個(gè)馬達(dá)外緣上的微室都以 45 度角向外傾斜；科研人員還建造了一個(gè)放射線狀的斜坡，并適當(dāng)?shù)夭贾昧恕奥氛稀币砸龑?dǎo)細(xì)菌直接進(jìn)入微室。在實(shí)驗(yàn)中，他們發(fā)現(xiàn)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速與捕獲細(xì)菌的數(shù)量呈線性增長(zhǎng)，同時(shí)也能輕松地實(shí)現(xiàn)每分鐘 20 轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速。
而對(duì)于任何由細(xì)菌驅(qū)動(dòng)的微型馬達(dá)來(lái)說(shuō)，另一個(gè)不可忽視的要求就是對(duì)轉(zhuǎn)速的控制。為了做到這一點(diǎn)，科研人員修改了大腸桿菌的基因，使它表達(dá)出一種叫“變形菌視紫質(zhì)”的光驅(qū)動(dòng)質(zhì)子泵。它能利用光能抵消電勢(shì)能來(lái)驅(qū)動(dòng)質(zhì)子，提高細(xì)菌的游動(dòng)速度。再通過(guò)不同光強(qiáng)的照射，轉(zhuǎn)速就能得到控制。
但為了讓這些系統(tǒng)發(fā)揮實(shí)際用處，不僅僅得控制單個(gè)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，還得讓所有馬達(dá)都在保持在統(tǒng)一轉(zhuǎn)速。幸運(yùn)的是，科研人員在一種反饋算法的幫助下，證實(shí)了只要每隔十秒鐘用光線均勻照射一次，就能有效地同步所有馬達(dá)。利用這樣的光控方法，就能均一化控制一組馬達(dá)的轉(zhuǎn)速。
顯然，這些由細(xì)菌驅(qū)動(dòng)的微型馬達(dá)在醫(yī)學(xué)上有著不可估量的應(yīng)用前景，科研人員已經(jīng)計(jì)劃對(duì)將它們用于藥物輸送的方向展開研究。