光驱动的微型“游泳运动员”

材料牛注：普朗克智能系统研究所的研究人员模仿纤毛虫，发明一种无须外力，只靠光驱动的微型“游泳运动员”。

纤毛虫虽然小，却可以做一些令人吃惊的事，对于这种微生物来说，它们生活的水环境就像粘稠的蜂蜜一样。尽管如此，他们却能够在水中运动，而其自我推动的工具就是其皮肤外层成千上万的细薄的纤毛。普朗克智能系统研究所的研究人员正在操纵几乎肉眼难以察觉到的机器人做类似纤毛虫的水下行为。

对于这种微生物，科学家们既没有采用复杂的驾驶元素，也没有借助如磁场的外部力量。由费舍尔带领的团队已经建立了一个纤毛虫模型，这个模型的材料结合液晶和弹性橡胶的特性，使身体能够自行的暴露在绿光下。迷你潜艇导航人体、检测和治疗可能仍然是科幻小说，但是新开发的光驱动材料的应用可能会展现在高科技的微型医疗助理----内窥镜上。

微生物体型微小，使得它们游动极其困难。由于它们的运动几乎没有动力，水和它们的身体之间的摩擦也大大减缓其游动——就像试图在粘稠的蜂蜜中游泳一样。水的粘度也阻碍了波浪的形成，一些力可以转移给水，进而驱动游泳者运动。为此，纤毛类似于蜈蚣的腿，它们协同击败了沿着单细胞生物整个身体的波浪式运动。这些水波浪跟着纤毛虫一起移动，而这些纤毛虫尺寸约100微米,像人的头发一样。

“我们的目标是让微型机器人模仿这种类型的运动，”Stefano Palagi说，他是普朗克智能系统研究所的研究员，这项研究的第一作者，同时也包括来自剑桥、斯图加特和佛罗伦萨大学合作的科学家。斯图加特大学的费舍尔教授指出，构建纤毛虫大小的机器同时也复制其运动方式是几乎不可能，因为这将需要数百个人执行，更不用说控制他们和能源供应了。

通常研究员都是避开这些挑战，施加外力，通过磁场来控制其运动，但是普朗克研究所智能系统的研究员想要构建一种不用外力作用而自由运动的“微型游泳健儿”。

他们用令人吃惊的简单方法实现了。即使用液晶弹性体作为身体。当暴露在光或热下而改变形状。像液晶，他们最初由棒状分子平行排列，分子间相互连接，这让液晶在一定程度的为固态，像橡胶一样。加热时，棒状分子失去平行排列，这导致材料改变了它的形状。

绿光照射到液晶上产生热量，光线也会造成实际分子本身形状的改变。这些分子的化学键就像一个关节。辐射会导致棒状分子在关节处弯曲成U型，这加剧分子紊乱，导致材料更加扩大。根据光的有无，材料会很快的做出变化。当无光的时候，材料会立即恢复到原始形状。

研究者发明了两种类型的微型机器人：一种是大约1毫米长，二百微米粗的细长圆柱，另外一种是大约50微米厚,直径二百或四百微米的小磁盘。

在第一个实验中，费舍尔的团队在显微镜的帮助下，将条纹式的光投影到圆柱机器人上。他们观察到照明区域形成突起。然后他们允许条纹模式下的光扫过圆柱体，这也促使突起沿着身体像波一样移动。光只是将能量转移到运动员身上，没有施加任何外力。蠕虫以类似方式运动：它自身产生了波动，即环形突起和纵向排列的伸长率从一端移动到另一端。这就是蠕动。

皮尔·费舍尔和他的同事也证明了他们可以控制的机器人具有很大的灵活性。这是因为，在原理上，任何光模式都可以投射在游泳者上。研究人员使用微镜生成一种模式，这种微镜由近800000可独立移动的小镜子组成的。通过这种方式，他们将光模式投射到磁盘机器人上，不同的方向上，这样“微型游泳运动员”就沿着一个矩形轨迹运动。

然后光模式投射在其表面后，导致磁盘旋转，类似于一个风扇。他们甚至成功地控制两个各自独立的磁盘机器人：一个顺时针,逆时针。

“另一个重要的问题是我们的游泳运动员是否可以更小,”合著者安德鲁?马克补充道。理论计算表明，更小的游泳运动员也可以以波形方式自行移动。这是可能的。

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感谢材料人编辑部材料小兵提供素材。