科學家打造微型藻類機器人，展現驚人游泳能力

在德國斯圖加特的馬克斯·普朗克智慧系統研究所（MPI-IS），一支研究團隊成功開發出一種覆蓋磁性材料的生物混合微型游泳者，其游泳能力幾乎不受塗層影響。這項研究由MPI-IS物理智慧部門的團隊發表於《Matter》期刊，該期刊涵蓋了廣泛的材料科學研究。

自然界中，僅有十微米大小的單細胞微藻是卓越的游泳者，靠著前端兩根鞭毛推進。然而，研究人員不確定如果這些微藻被塗上一層天然聚合物殼聚醣（以增強附著力）並混合磁性奈米粒子，它們的表現會如何。這些微型游泳者是否仍能在狹窄空間中穿梭，並在類似黏液的高黏度液體中推進自己？

科學家發現，這些以綠藻為基礎的微型游泳者幾乎不受額外負載的影響。它們的鞭毛進行蛙泳般的動作，使藻類像子彈一樣向前推進。儘管有塗層，它們在磁化後仍保持了游泳速度，平均速度達到每秒115微米（約每秒12個體長）。相比之下，奧運游泳選手麥可·菲爾普斯的速度僅為每秒1.4個體長。值得注意的是，這些藻類只是單細胞生物，沒有腿和腳。

這項研究的共同領導者Birgül Akolpoglu和Saadet Fatma Baltaci，是MPI-IS物理智慧部門的科學家。幾年前，他們研究瞭如何利用磁性控制基於細菌的微型游泳者在流體空間中進行藥物遞送。現在，他們將注意力轉向了微藻。他們的目標是將磁性材料功能化於單細胞生物的表面，以便能夠將它們引導至任何所需方向，從而將微藻轉化為微型機器人。

塗層過程僅需幾分鐘，最終有九成藻類成功覆蓋了磁性奈米粒子。團隊首先在與水一樣稀薄的液體中測試了他們的生物混合機器人的游泳能力。利用外部磁場，他們能夠控制微藻的游泳方向。接著，研究人員將機器人引導透過微型3D列印圓柱體，創造出一個高度受限的環境，其中最大尺寸僅為微藻的三倍。為了驗證引導是否成功，團隊設定了兩種不同的系統：一種是帶有磁線圈的系統，另一種是帶有永久磁鐵的顯微鏡系統。他們建立了一個均勻的磁場，並反覆改變其方向。

「我們發現，微藻生物混合體在三種方式下透過3D列印的微通道：回溯、穿越和磁性穿越。在沒有磁性引導的情況下，藻類經常卡住並回溯到起點。但在磁性控制下，它們移動得更順暢，避開了邊界，」該研究的共同第一作者Birgül Akolpoglu在概念驗證研究中表示。磁性引導幫助生物混合體與磁場方向對齊，顯示出在狹窄空間中導航的真正潛力——就像給它們一個微型GPS！

在下一步中，團隊增加了流體的黏度，並再次將他們的微型機器人送入狹窄通道。「我們想測試我們的游泳者在類似黏液的環境中表現如何。我們發現黏度影響了微藻生物混合體的游泳方式。更高的黏度會減慢它們的速度，並改變它們向前游泳的方式。當我們施加磁場時，游泳者會振盪，以鋸齒形模式前進。這強調瞭如何透過微調黏度和磁性對齊來最佳化微型機器人在複雜環境中的導航，」Baltaci補充道。

「我們的願景是在高度受限的複雜和小型環境中使用微型機器人，例如我們組織中的環境。我們的研究結果為諸如靶向藥物遞送等應用開啟了大門，為醫療治療提供了一種生物相容性解決方案，並為未來生物醫學及其他領域的創新帶來了令人興奮的潛力，」團隊總結道。

參考文獻：Mukrime Birgul Akolpoglu, Saadet Fatma Baltaci, Ugur Bozuyuk, Selcan Karaz和Metin Sitti，《利用磁性引導在受限環境中導航微藻生物混合體》，2025年3月17日，《Matter》。DOI: 10.1016/j.matt.2025.102052