科学家开发了一种涂有磁性材料的单细胞绿色微藻。这种微型机器人进行了测试：这款涂有磁性外衣的微藻能否在狭窄的空间中游动，并且在模仿人体内液体的粘稠液体中游动？这款微小的机器人能否在这些困难条件下奋斗？
斯图加特的马克斯·普朗克智能系统研究所（MPI-IS）的一组研究人员开发了一种涂有磁性材料的生物混合微游泳者，其游泳能力在很大程度上不受涂层的影响。来自MPI-IS物理智能部门的团队在材料科学研究广泛涵盖的期刊Matter上发表了他们的工作。
在自然界中，十微米的小型单细胞微藻是一种出色的游泳者，它们通过前方的两条鞭状鞭毛来推动自己。然而，科学家们并不清楚如果将微藻覆盖上一层薄薄的天然聚合物壳聚糖（以获得良好的附着性）与磁性纳米颗粒混合后会发生什么。这款微型游泳者还能否找到自己穿越狭窄空间的路径，并且——如果这还不够具有挑战性——在与粘液密度相似的粘稠液体中前行？
科学家们发现，他们基于绿色藻类的微型游泳者几乎没有受到额外负荷的影响。它们用执行蛙泳动作的鞭毛迅速向前推进，像子弹一样飞驰。尽管有涂层，它们在磁化后仍保持了游泳速度，显示出平均游泳速度为每秒115微米（约每秒12倍体长）。相比之下，像迈克尔·菲尔普斯这样的奥运会游泳运动员能达到每秒1.4倍体长。请注意，这款微藻只是一个没有腿和脚的细胞。
共同领导这项研究的Birgül Akolpoglu和Saadet Fatma Baltaci是MPI-IS物理智能部门的科学家。几年前，他们研究了如何在流体空间中磁性控制基于细菌的微型游泳者，用于药物输送应用。现在，他们的注意力转向了微藻。他们的目标是用磁性材料功能化单细胞生物的表面，以便能够朝任意所需方向引导它们——将微藻转变为微型机器人。
给细胞涂层只用了几分钟，最终有九分之十的藻类成功覆盖了磁性纳米颗粒。团队首先在与水一样稀薄的液体中测试了他们的生物混合机器人。利用外部磁场，他们能够控制微藻游动的方向。研究人员随后在微型3D打印的圆柱体上引导他们的机器人，创建一个高度受限的环境，其最大尺寸仅为微藻的三倍。为了查看引导是否成功，团队建立了两个不同的系统：一个带有磁线圈，另一个是在显微镜周围放置的永久磁铁。他们创建了一个均匀的磁场并不断改变方向。
“我们发现微藻生物混合体通过三种方式导航3D打印的微通道：回溯、交叉和磁性交叉。没有磁性引导时，藻类常常被卡住并回溯到起点。但在磁性控制下，它们移动得更顺畅，避免了边界，”出版物的共同第一作者Birgül Akolpoglu在他们的概念验证研究中表示。“磁性引导帮助生物混合体与磁场方向对齐，显示出在狭窄空间内导航的真实潜力——有点像给它们一个微型GPS！”
在接下来的步骤中，团队增加了液体的粘度，再次让他们的微型机器人穿过狭窄的通道。
“我们想要测试我们的游泳者在类似粘液的液体中的表现。我们发现，粘度会影响微藻生物混合体的游动。较高的粘度会减慢它们的速度并改变它们向前游动的方式。当我们施加磁场时，游泳者会摆动，以之字形前进。这强调了如何微调粘度和磁性对齐可以优化微型机器人在复杂环境中的导航，”Baltaci补充道。
“我们的愿景是使用微型机器人在高度受限的复杂小环境中，例如在我们组织内发现的那些。我们的研究结果为定位药物输送等应用打开了大门，为医疗治疗提供了一种生物相容的解决方案，具有在生物医学及更广泛领域未来创新的巨大潜力，”团队总结道。
