细菌推动齿轮，光线调节转速，微米级马达研发成功！

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制造出能够在人体内自由穿梭、携带药物、甚至能进行手术的微型机器人一直是科学家们的热衷的研究方向。

最近，科研人员们成功研发了更稳定并且更容易控制的微型马达。若是把一滴含有数千个自由游动的转基因大肠杆菌液体添加到含有微型马达阵列的液体中，不出几分钟，马达就能旋转起来。个别细菌会游到马达外缘上蚀刻的 15 个微室中，然后它们露在外面的鞭毛就会像螺旋桨一样合力转动马达，与河水推动水磨旋转有着异曲同工之妙。

2017年6月28日，罗马萨皮恩泽尔大学（Sapienza Università di Roma）和罗马纳米技术研究所 NANOTEC-CNR 的物理学教授 Roberto Di Leonardo 领衔的科研团队在《自然通讯》（Nature Communications）杂志网站上发表了他们的对细菌驱动马达的科研成果。

“比起之前基于野生型细菌和扁平结构的设计，我们最新的设计不仅转速更高，波动性也大幅减小，” Leonardo 说，“我们能生产大量利用光作为最终能源的可独立控制的转子阵列。有朝一日，这些设备将能以低廉的成本，作为微型机器内部的一次性驱动器，而这些微型机器人将用于细胞的收集与整理，为微型生物医疗实验做出贡献。”

上文所提过到液体里包含着大量的游动细菌，由于其自身蕴含的机械能而被称为“活性液体”。为了让“活性液体”转化成推动微型机器运转的燃料，就必须让所有杂乱无章的细菌都朝着一个方向游动。

在最新的设计中，为了使细菌施加的扭矩最大化，每个马达外缘上的微室都以 45 度角向外倾斜；科研人员还建造了一个放射线状的斜坡，并适当地布置了“路障”以引导细菌直接进入微室。在实验中，他们发现马达的转速与捕获细菌的数量呈线性增长，同时也能轻松地实现每分钟 20 转的转速。

而对于任何由细菌驱动的微型马达来说，另一个不可忽视的要求就是对转速的控制。为了做到这一点，科研人员修改了大肠杆菌的基因，使它表达出一种叫“变形菌视紫质”的光驱动质子泵。它能利用光能抵消电势能来驱动质子，提高细菌的游动速度。再通过不同光强的照射，转速就能得到控制。

但为了让这些系统发挥实际用处，不仅仅得控制单个马达的转速，还得让所有马达都在保持在统一转速。幸运的是，科研人员在一种反馈算法的帮助下，证实了只要每隔十秒钟用光线均匀照射一次，就能有效地同步所有马达。利用这样的光控方法，就能均一化控制一组马达的转速。

显然，这些由细菌驱动的微型马达在医学上有着不可估量的应用前景，科研人员已经计划对将它们用于药物输送的方向展开研究。

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编辑：胡雪羚

参考：https://phys.org/news/2017-07-micromotors-powered-bacteria.html

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