20世紀(jì)60年代，一部榮獲奧斯卡最佳視覺效果大獎的科幻電影《神奇旅程》描述了科學(xué)家駕駛“微型潛水艇”在人體內(nèi)的冒險(xiǎn)之旅，將大眾的視線轉(zhuǎn)移到了神奇的微觀世界。然而，在微觀領(lǐng)域進(jìn)行探索和操作，需要一類小的機(jī)器人作為幫手，它們能在微米尺度、甚至是納米尺度進(jìn)行工作。今天就讓我們走近一類特殊的微型機(jī)器人——藻類細(xì)胞機(jī)器人，探秘一下這支微觀世界里的奇兵。

藻類細(xì)胞是一類在水中自由游動的微生物，尺寸通常為幾微米至幾十微米，只有頭發(fā)絲直徑的十分之一。藻類細(xì)胞能夠從周圍液體環(huán)境中獲取能量，并高效地將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為鞭毛的機(jī)械能，帶動細(xì)胞向前游動，游動速度能達(dá)到自身體長的十倍以上，可以稱得上是微觀世界里的高速列車。在它身體的前端還具有一個(gè)“眼點(diǎn)”，可以接受光源的刺激，并迅速做出響應(yīng)。

藻類細(xì)胞機(jī)器人示意圖

從工程學(xué)的角度來看，藻類細(xì)胞具有感知和驅(qū)動能力，如同一個(gè)個(gè)微型機(jī)器人，然而藻類細(xì)胞在水中都是任意游動的，如何讓藻類細(xì)胞實(shí)現(xiàn)機(jī)器人化運(yùn)動，使其按照人們給它發(fā)出的指令來運(yùn)動和做功就不是一件容易的事情了。為了讓藻類細(xì)胞機(jī)器人聽從指揮，研究人員設(shè)計(jì)了一種巧妙的“光引導(dǎo)”系統(tǒng)，就像用繩子牽著牛走一樣，利用光線牽引藻類細(xì)胞按照人的命令來行動。研究人員給藻類細(xì)胞機(jī)器人制定了“右轉(zhuǎn)”交通規(guī)則，讓藻類細(xì)胞機(jī)器人在微流控管道中經(jīng)過“十字路口”時(shí)，朝向自己的右手邊轉(zhuǎn)向，遍歷四條“街道”，最后回到自己的出發(fā)點(diǎn)。同樣可以給藻類細(xì)胞機(jī)器人事先規(guī)劃好一條路徑，讓藻類細(xì)胞機(jī)器人沿著這條線路運(yùn)動。

藻類細(xì)胞機(jī)器人沿著三角形軌跡運(yùn)動

在宏觀世界里人們可以用牛來拉貨，在微觀世界中能否利用藻類細(xì)胞機(jī)器人來傳輸貨物呢？答案是肯定的！通過對藻類細(xì)胞機(jī)器人的群體控制，研究人員成功實(shí)現(xiàn)了對微小物體準(zhǔn)確地抓取、可控地傳輸和精確地釋放。

在實(shí)現(xiàn)了藻類細(xì)胞的機(jī)器人化運(yùn)動基礎(chǔ)上，研究人員又進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了藻類細(xì)胞機(jī)器人的陣列化旋轉(zhuǎn)。結(jié)合光誘導(dǎo)介電泳技術(shù)（ODEP），實(shí)現(xiàn)了對藻類細(xì)胞的快速捕獲及陣列化旋轉(zhuǎn)，且通過改變光強(qiáng)可有效調(diào)節(jié)細(xì)胞旋轉(zhuǎn)速度。構(gòu)建的藻類細(xì)胞旋轉(zhuǎn)陣列有望作為微尺度馬達(dá)陣列，在微流控及生物驅(qū)動領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

Lab on a Chip封面刊載中科院沈陽自動化所藻類細(xì)胞機(jī)器人的科研成果

藻類細(xì)胞定向旋轉(zhuǎn)陣列

利用藻類細(xì)胞作為機(jī)器人本體，解決了傳統(tǒng)的微型機(jī)器人在能量供給和控制信息傳遞方面遇到的問題。通過對藻類細(xì)胞機(jī)器人的運(yùn)動控制，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)對微小物體和流體的驅(qū)動。藻類細(xì)胞機(jī)器人作為一種新型微型機(jī)器人，是微觀世界里的奇兵，它們將在生物驅(qū)動、藥物輸運(yùn)、環(huán)境監(jiān)測和微納制造等方面為人類做出貢獻(xiàn)。（文章來源作者：中國科學(xué)院沈陽自動化研究所轉(zhuǎn)載僅供參考學(xué)習(xí)及傳遞有用信息，版權(quán)歸原作者所有，如侵犯權(quán)益，請聯(lián)系刪除）