細菌推動齒輪 光線調節轉速 微米級馬達研發成功

製造出能夠在人體內自由穿梭、攜帶藥物、甚至能進行手術的微型機器人一直是科學家們的熱衷的研究方向。最近，科研人員們成功研發了更穩定並且更容易控制的微型馬達。若是把一滴含有數千個自由遊動的轉基因大腸桿菌液體添加到含有微型馬達陣列的液體中，不出幾分鐘，馬達就能旋轉起來。

個別細菌會游到馬達外緣上蝕刻的 15 個微室中，然後它們露在外面的鞭毛就會像螺旋槳一樣合力轉動馬達，與河水推動水磨旋轉有著異曲同工之妙。

2017 年 6 月 28 日，羅馬薩皮恩澤爾大學（Sapienza Università di Roma）和羅馬納米技術研究所 NANOTEC-CNR 的物理學教授 Roberto Di Leonardo 領銜的科研團隊在《自然通訊》（Nature Communications）雜誌網站上發表了他們的對細菌驅動馬達的科研成果。

「比起之前基於野生型細菌和扁平結構的設計，我們最新的設計不僅轉速更高，波動性也大幅減小，」 Leonardo 說，「我們能生產大量利用光作為最終能源的可獨立控制的轉子陣列。有朝一日，這些設備將能以低廉的成本，作為微型機器內部的一次性驅動器，而這些微型機器人將用於細胞的收集與整理，為微型生物醫療實驗做出貢獻。」

上文所提過到液體里包含著大量的遊動細菌，由於其自身蘊含的機械能而被稱為「活性液體」。為了讓「活性液體」轉化成推動微型機器運轉的燃料，就必須讓所有雜亂無章的細菌都朝著一個方向遊動。

在最新的設計中，為了使細菌施加的扭矩最大化，每個馬達外緣上的微室都以 45 度角向外傾斜；科研人員還建造了一個放射線狀的斜坡，並適當地布置了「路障」以引導細菌直接進入微室。在實驗中，他們發現馬達的轉速與捕獲細菌的數量呈線性增長，同時也能輕鬆地實現每分鐘 20 轉的轉速。

而對於任何由細菌驅動的微型馬達來說，另一個不可忽視的要求就是對轉速的控制。為了做到這一點，科研人員修改了大腸桿菌的基因，使它表達出一種叫「變形菌視紫質」的光碟機動質子泵。它能利用光能抵消電勢能來驅動質子，提高細菌的遊動速度。再通過不同光強的照射，轉速就能得到控制。

但為了讓這些系統發揮實際用處，不僅僅得控制單個馬達的轉速，還得讓所有馬達都在保持在統一轉速。幸運的是，科研人員在一種反饋演算法的幫助下，證實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。利用這樣的光控方法，就能均一化控制一組馬達的轉速。

顯然，這些由細菌驅動的微型馬達在醫學上有著不可估量的應用前景，科研人員已經計劃對將它們用於藥物輸送的方向展開研究。

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