光驅動的微型“游泳運動員”

材料牛注：普朗克智能系統研究所的研究人員模仿纖毛蟲，發明一種無須外力，只靠光驅動的微型“游泳運動員”。

纖毛蟲雖然小，卻可以做一些令人吃驚的事，對于這種微生物來說，它們生活的水環境就像粘稠的蜂蜜一樣。盡管如此，他們卻能夠在水中運動，而其自我推動的工具就是其皮膚外層成千上萬的細薄的纖毛。普朗克智能系統研究所的研究人員正在操縱幾乎肉眼難以察覺到的機器人做類似纖毛蟲的水下行為。

對于這種微生物，科學家們既沒有采用復雜的駕駛元素，也沒有借助如磁場的外部力量。由費舍爾帶領的團隊已經建立了一個纖毛蟲模型，這個模型的材料結合液晶和彈性橡膠的特性，使身體能夠自行的暴露在綠光下。迷你潛艇導航人體、檢測和治療可能仍然是科幻小說，但是新開發的光驅動材料的應用可能會展現在高科技的微型醫療助理----內窺鏡上。

微生物體型微小，使得它們游動極其困難。由于它們的運動幾乎沒有動力，水和它們的身體之間的摩擦也大大減緩其游動——就像試圖在粘稠的蜂蜜中游泳一樣。水的粘度也阻礙了波浪的形成，一些力可以轉移給水，進而驅動游泳者運動。為此，纖毛類似于蜈蚣的腿，它們協同擊敗了沿著單細胞生物整個身體的波浪式運動。這些水波浪跟著纖毛蟲一起移動，而這些纖毛蟲尺寸約100微米,像人的頭發一樣。

“我們的目標是讓微型機器人模仿這種類型的運動，”Stefano Palagi說，他是普朗克智能系統研究所的研究員，這項研究的第一作者，同時也包括來自劍橋、斯圖加特和佛羅倫薩大學合作的科學家。斯圖加特大學的費舍爾教授指出，構建纖毛蟲大小的機器同時也復制其運動方式是幾乎不可能，因為這將需要數百個人執行，更不用說控制他們和能源供應了。

通常研究員都是避開這些挑戰，施加外力，通過磁場來控制其運動，但是普朗克研究所智能系統的研究員想要構建一種不用外力作用而自由運動的“微型游泳健兒”。

他們用令人吃驚的簡單方法實現了。即使用液晶彈性體作為身體。當暴露在光或熱下而改變形狀。像液晶，他們最初由棒狀分子平行排列，分子間相互連接，這讓液晶在一定程度的為固態，像橡膠一樣。加熱時，棒狀分子失去平行排列，這導致材料改變了它的形狀。

綠光照射到液晶上產生熱量，光線也會造成實際分子本身形狀的改變。這些分子的化學鍵就像一個關節。輻射會導致棒狀分子在關節處彎曲成U型，這加劇分子紊亂，導致材料更加擴大。根據光的有無，材料會很快的做出變化。當無光的時候，材料會立即恢復到原始形狀。

研究者發明了兩種類型的微型機器人：一種是大約1毫米長，二百微米粗的細長圓柱，另外一種是大約50微米厚,直徑二百或四百微米的小磁盤。

在第一個實驗中，費舍爾的團隊在顯微鏡的幫助下，將條紋式的光投影到圓柱機器人上。他們觀察到照明區域形成突起。然后他們允許條紋模式下的光掃過圓柱體，這也促使突起沿著身體像波一樣移動。光只是將能量轉移到運動員身上，沒有施加任何外力。蠕蟲以類似方式運動：它自身產生了波動，即環形突起和縱向排列的伸長率從一端移動到另一端。這就是蠕動。

皮爾·費舍爾和他的同事也證明了他們可以控制的機器人具有很大的靈活性。這是因為，在原理上，任何光模式都可以投射在游泳者上。研究人員使用微鏡生成一種模式，這種微鏡由近800000可獨立移動的小鏡子組成的。通過這種方式，他們將光模式投射到磁盤機器人上，不同的方向上，這樣“微型游泳運動員”就沿著一個矩形軌跡運動。

然后光模式投射在其表面后，導致磁盤旋轉，類似于一個風扇。他們甚至成功地控制兩個各自獨立的磁盤機器人：一個順時針,逆時針。

“另一個重要的問題是我們的游泳運動員是否可以更小,”合著者安德魯?馬克補充道。理論計算表明，更小的游泳運動員也可以以波形方式自行移動。這是可能的。

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感謝材料人編輯部材料小兵提供素材。