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厲害了大腸桿菌!不僅能當存儲器還能助推馬達

2017-09-05

  個別細菌會游到馬達外緣上蝕刻的 15 個微室中,然后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。

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  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)雜志網站上發表了他們的對細菌驅動馬達的科研成果。

  “比起之前基于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于細胞的收集與整理,為微型生物醫療實驗做出貢獻?!?/p>

  上文所提過到液體里包含著大量的游動細菌,由于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游動。

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  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,并適當地布置了“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,同時也能輕松地實現每分鐘 20 轉的轉速。

  而對于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”的光驅動質子泵。它能利用光能抵消電勢能來驅動質子,提高細菌的游動速度。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于藥物輸送的方向展開研究。


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