@ 2017.08.03 , 11:00

光控细菌供能的微型电机

当研究者向一个微型电机阵列中滴入一滴包含数千个自由游动的基因工程修改过的大肠杆菌时,数分钟内微型电机就开始旋转了。某些细菌个体头超前地游入蚀刻在每个微型电机外边缘上的15个微室之一中,鞭毛则伸出在微室之外,这些细菌一起合力使微型电机转起来,有点像流动的江水转动水车那样。

由罗马大学物理学教授Roberto Di Leonardo领衔的研究者已将该研究发表在近期的自然通讯上。

光控细菌供能的微型电机
credit: 煎蛋画师Chon

Di Leonardo 说道:“相比先前基于野生型细菌和扁平结构的工作,我们的设计不仅转速快,而且也大大减小了速度的变化。我们能够制造大型独立控制转子阵列,将光作为终极能量源。这些设备某天可作为廉价的一次性微型电机执行器,收集和排序微型生物医学实验室中的单独细胞。”

类似此处使用的包含大量游动细菌的液体被称为“主动液体”,因为其中包含了机械能。为了将主动液体用作推动微型机械的燃料,必须对细菌的混乱运动进行控制,使得所有(或者大部分)细菌才能以同样的方向运动。

这正是微型电机做所的。每个微型电机边缘分布的微室以45度角倾斜,最大化了细菌使电机转动的扭矩。在他们的设计中,研究者还建造了径向渐变,有策略地放置一些栅栏引导游动细菌进入微室。在实验中,研究者发现微型电机的转速随着捕捉细菌数量而线性增加,并且能很容易实现20转/分的转速。

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任何细菌供能微型电机的另一个重要要求是控制微型电机运动的能力。为此,研究者基因修改了大肠杆菌菌株,来表达一个光驱动的质子泵,即细菌视紫红质。这种色素蛋白利用光子能量泵动质子对抗电化学梯度,加快细菌的游动速度。通过利用不同光强的光线照射该细菌供能的微型电机,研究者能控制微型电机的转速。

为了能将这种系统用于实际应用之中,阵列中所有微型电机的平均速度趋于一致,波动较小这一点非常重要。利用能每10秒钟均匀照射系统的反馈方法,研究者证实能有效同步电机的转速,波动很小。利用这种光控方法,研究者就能一致地以特定速度旋转一组微型电机。

这种细菌推动的微型电机具有潜在的医学应用,比如药物输送。研究者计划在未来进行相应的研究。

论文原文:DOI: 10.1038/ncomms15974

本文译自 phys,由译者 CliffBao 基于创作共用协议(BY-NC)发布。Lisa Zyga


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