微型机器人再突破，科学家研发新的微型人造纤毛系统

一个技术奇迹，纤毛已被证明难以在工程应用中复制，尤其是在微尺度上。

康奈尔大学的研究人员现在设计了一种微型人造纤毛系统，该系统使用铂基组件，可以控制这种规模的流体运动。该技术有朝一日可以实现低成本的便携式诊断设备，用于测试血液样本、操作细胞或协助微细加工过程。

该小组的论文《用于电子可编程微流体操纵的纤毛超表面》于 5 月 25 日发表在《自然》杂志上，第一作者为博士生王伟。

“有很多方法可以制造对光、磁或静电力有反应的人造纤毛。但我们是第一个使用我们的新型纳米致动器来展示可单独控制的人造纤毛的人。”王伟说。

该项目由该论文的资深作者、艺术与科学学院的物理学教授 Itai Cohen 领导，建立在一个铂基电动执行器（该设备的移动部分）的基础上，他的团队之前创建该执行器是为了实现微型机器人行走。那些弯曲的机器人腿的力学相似，但纤毛系统的功能和应用不同，而且相当灵活。

“我们在这里展示的是，”科恩说，“一旦你可以单独处理这些纤毛，你就可以以任何你想要的方式操纵流动。你可以创建多个单独的轨迹，你可以创建循环流动，你可以创建运输，或分成两条路径然后重新组合的流。你可以得到三个维度的流线。”

“很难使用现有的平台来制造纤毛，这些纤毛很小，可以在水中工作，可以电寻并且可以与有趣的电子设备集成，”科恩说。“这个系统解决了这些问题。通过这种平台，我们希望开发下一波微流体操作设备。”

一个典型的设备由一个芯片组成，该芯片包含 16 个方形单元，每个单元有 8 个纤毛阵列，每个阵列有 8 个纤毛，每个纤毛长约 50 微米，从而形成约 1000 个人造纤毛的“地毯”。

随着每个纤毛上的电压振荡，其表面会周期性地氧化和还原，这使得纤毛来回弯曲，使其能够以每秒数十微米的速度泵送流体。不同的阵列可以独立激活，因此可以创建无限组合的流动模式，模仿在其生物对应物中观察到的灵活性。

该团队创建了一种纤毛设备，该设备配备了互补金属氧化物半导体 (CMOS) 时钟电路——本质上是一个电子“大脑”，允许纤毛在不受传统计算机系统束缚的情况下运行。这为开发一系列可以在现场进行的低成本诊断测试打开了大门。

“你可以想象，在未来，人们会拿着这个微小的厘米设备，在上面滴一滴血，然后进行所有的化验，”科恩说。“你不需要花哨的泵，你不需要任何设备，你只要把它放在阳光下就可以了。它的成本可能在 1 到 10 美元之间。”