运动导向的微型机器人可以轻装上阵

进入黑暗：以罗马双面女神的名字命名的半涂层Janus粒子正在自动导航到光源。斯图加特的研究人员在合成的微游泳机中也发现了这种光战术行为，这也从活的微生物中得知。

研究人员揭示了一种令人惊讶的简单方法，可以将合成微泳衣引导至光明或黑暗。

光战术行为将某些细菌引向光，将另一些细菌引向黑暗：这使它们能够尽可能高效地利用太阳能进行新陈代谢，或者保护它们免受过度的光强影响。由马克斯·普朗克智能系统研究所和斯图加特大学的Clemens Bechinger领导的一组研究人员，以及杜塞尔多夫大学的同事们，现在已经找到了一种出奇的简单方法，可以将合成微泳衣引导到光明或黑暗中。他们的发现最终可能导致微型机器人寻找并治疗人体病变。

对于许多微生物来说，以定向方式移动而不是随意游动的能力至关重要。Clemens Bechinger说：“进化已经做出了巨大的努力，使运动性细菌具有自我定向的能力。”精子细胞就是一个很好的例子。他们拥有鞭毛形式的高效推进系统。但是，如果没有办法朝着卵子前进，这对他们没有多大好处，因为否则他们受精卵的机会将会非常渺茫。卵子释放的化学引诱剂指明了方向。精子仅遵循那些物质的浓度梯度。

细菌还受到鞭毛的推动，甚至发展了一系列的控制系统-有些基于增加或减少营养物的浓度，有些则基于重力，地球磁场或光源。

克莱门斯·贝辛格（Clemens Bechinger）的研究小组赋予合成生产的颗粒以下方面：运动系统和方向感，例如沿着磁场或朝向光。这样就产生了可以通过简单的外部信号在液体中操纵的微型机器人。

Janus粒子的黑色一半会更强烈地加热

但是，直接复制自然几乎是没有希望的。生命有机体用来向优选方向移动的感知设备和运动系统过于复杂。“相反，我们正在开发能够以最小的努力实现趋光性的微扫描仪，” Bechinger解释说。

由Max Planck Fellow领导的团队现已实现了这一目标。其微游泳器的设计令人惊讶地简单。它们是直径为千分之几毫米的透明玻璃珠，其运动系统也可以用作指南针。研究人员通过用黑碳层覆盖一半，为微游泳者提供了两种功能，使粒子让人联想到新月。

当均匀地照明时，这种简单构造的所谓的Janus粒子会穿过水和可溶性有机物质的混合物，因为光比另一侧更强烈地加热了黑色的一半。热量将水和有机物质分离开，从而导致珠子两侧之间的溶质浓度不同。浓度梯度通过沿透明半部的球形表面流到黑色侧的液体来平衡。就像划船沿着桨的相反方向移动一样，颗粒以透明的一面朝前的方式游过液体。

浅暗过渡导致定向运动

但是，合成微泳裤会沿随机方向移动；换句话说，他们有动力系统，但没有方向感。研究人员通过让Janus粒子沿光梯度（即垂直于渐变的明暗过渡的方向）游泳来解决了这个问题。然后，微粒实际上实际上以定向的方式朝向液体中照明程度较低的部分移动。

因此，科学家赋予了这种相对简单的系统以趋光性的能力。这可以通过以下事实来解释：位于较亮的部分中的胎圈侧面比在较暗区域中的侧面加热得更强。补偿Janus颗粒的两半之间浓度差异的液体流，在光暗过渡区的较暗部分，在暴露于更多光的一侧比在颗粒一侧移动得更快。这种情况类似于桨在两侧的移动速度不同时的划艇：旋转。

用Janus颗粒观察到完全相同的效果。它们旋转直到黑帽朝向光。在该位置，盖和透明部分之间的整个界面都具有均匀的亮度，因此补偿液流在任何地方都同样强大。然后，Janus粒子直接向较暗的一侧移动。Bechinger研究所的博士后Celia Lozano说：“通过对球体进行简单的修改，我们还可以朝更光亮的一侧移动。”因此，研究人员创建了一个非常简单的趋光模型。

机器人作为医疗巡逻员触手可及

但是，如果光强度降至某个值以下，则此机制将不再起作用。在仅仅十分之一毫米左右之后，颗粒开始逐渐偏离其航向。为解决此问题并在微扫描器上可靠地进行长距离导航，Celia Lozano使用了一个由激光器，透镜和反射镜组成的系统，以产生锯齿形的光场，并具有逐渐减小和增加亮度的区域。

然而，增加和减少亮度的区域并不均匀地宽。在光强度降低的相对较宽的区域中，粒子以有向的方式朝着较暗的区域移动。相比之下，在强度不断增加的区域中，它们从黑暗游泳到光明，并保持原来的路线。“这是因为增加亮度的区域非常狭窄，以至于粒子在通过过程中没有时间反转其方向，”博尔格·十·哈根解释说，他已经在计算机仿真中证实了这种效果。因此，总体而言，微游泳器在一个方向上连续移动。

整个系统非常简单的事实使它对于应用程序很有趣。“可以轻松生产数百万个微扫描器，” Bechinger说。这种可靠可控的微粒群可用于模拟各种物种的蜂群行为。而且，由于研究人员开发的定向机制不仅在明暗过渡过程中起作用，而且在化学浓度梯度中（例如在肿瘤附近）起作用，因此产生使机器人具有巡视血管以检测血管大小的血细胞大小的愿景诸如肿瘤之类的病灶的治疗也已经触手可及。

出版物：Celia Lozano等人，“光学景观中的合成微游泳者的趋光性”，《自然通讯》第7期，文章编号：12828; doi：10.1038 / ncomms12828