细菌驱动、靠光控制的微型马达

诸平

据物理学家组织网（phys.org）杂志网站2017年7月13日报道，《自然通讯》（Nature Communications）杂志网站2017年6月28日发表了Gaszton Vizsnyiczai等人的合作论文，其中介绍光控的3D微型马达，而驱动能是由细菌提供的。详见Gaszton Vizsnyiczai, Giacomo Frangipane, Claudio Maggi, Filippo Saglimbeni, Silvio Bianchi, Roberto Di Leonardo. Light controlled 3D micromotors powered by bacteria. Nature Communications, 2017, 8: Article number: 15974, DOI: 10.1038/ncomms15974.图1就是来自Gaszton Vizsnyiczai等人发表于《自然通讯》论文的图片，显示出微室内具有圆柱结构的微型马达。

Fig.1 A micromotor, with microchambers shown in the inner cylindrical structure. Credit: Vizsnyiczai et al. Published in Nature Communications.

当研究人员将一滴包含成千上万的自由游动的、转基因大肠杆菌的液体,加入到具有大量微型马达液体之中时,几分钟内微型马达就会开始旋转起来。一些个别细菌头向前游入到每个微型马达外缘上蚀刻的15个微室当中的一个,并且将其鞭毛伸出到微室的外面,和游动的细菌一起导致微型马达旋转,有点类似于流动的河水驱动水磨旋转。

以意大利罗马萨皮恩泽尔大学（Sapienza Università di Roma）和意大利罗马纳米技术研究所NANOTEC-CNR（NANOTEC-CNR, Institute of Nanotechnology）的物理学教授罗伯特·迪莱昂纳多（Roberto Di Leonardo）为首的研究人员，2017年6月28日在《自然通讯》（Nature Communications）杂志网站发表了他们的研究结果。

罗伯特·迪莱昂纳多（Roberto Di Leonardo）教授说：“我们的设计将高旋转速度与一个巨大的减少波动相结合，与先前基于野生型细菌和扁平结构相比较波动性大大降低。我们可以大量生产使用光作为最终能源的独立控制的转子。有朝一日，这些设备因为廉价可以用于微型生物医学实验室一次性微型机器人执行收集和整理个别细胞。”

如在此使用的流体,其中包含大量的游动细菌,被称为“活性液体（active fluid）”，由于其包含的机械能。为了使活化液体作为一种用于推动微型机器的燃料,必须控制细菌的无序运动,使所有(或大部分)的细菌在同一方向移动。Gaszton Vizsnyiczai等人也提供了微型马达旋转的相关视频。这本质上就是微型马达在旋转。沿着每个微电机边缘的微室都会遭到一个45°倾斜角的撞击,使其总扭矩最大化，细菌的移动可以导致马达旋转。在他们的设计中,研究人员还建立了一个放射线状斜坡，与策略性地放置障碍一并，直接引导移动细菌进入微室。在实验中,研究人员发现,微型电动机的转速随着捕获细菌的数量增长而呈现出线性增长,他们可以很容易地实现旋转速度20转/min。

对于任何细菌动力微型马达而言，另一个重要的要求对微型马达转速的控制能力。要做到这一点,研究人员对大肠杆菌菌株进行了基因修饰，表达光驱动质子泵，也称为变形菌视紫质（proteorhodopsin）,使用光子能量注入质子抗电化学梯度,因为电化学梯度会增加细菌的游动速度。通过不同的光强度照射，使细菌驱动微型马达的转速得到控制。

为了让这些系统应用于实际生活,所有的微型马达的平均速度的均一化即几乎没有波动也是非常重要的。借助于一种反馈算法,每10秒均匀照射系统一次,研究人员证明了微型马达可以有效地同步，其转速的变化很少。使用这种光控方法,研究人员可以实现对于一组微型马达在某一特定转速的均一化控制。这种细菌驱动的微型马达在医学上有潜在的应用前景,如药物交付,研究人员计划在未来对其展开研究。

更多信息请注意浏览原文或者相关报道：

Microgears rotate when pushed by tiny motors

Micromotors are powered by bacteria, controlled by light

Abstract

Self-propelled bacteria can be integrated into synthetic micromachines and act as biological propellers. So far, proposed designs suffer from low reproducibility, large noise levels or lack of tunability. Here we demonstrate that fast, reliable and tunable bio-hybrid micromotors can be obtained by the self-assembly of synthetic structures with genetically engineered biological propellers. The synthetic components consist of 3D interconnected structures having a rotating unit that can capture individual bacteria into an array of microchambers so that cells contribute maximally to the applied torque. Bacterial cells are smooth swimmers expressing a light-driven proton pump that allows to optically control their swimming speed. Using a spatial light modulator, we can address individual motors with tunable light intensities allowing the dynamic control of their rotational speeds. Applying a real-time feedback control loop, we can also command a set of micromotors to rotate in unison with a prescribed angular speed.