科學(xué)家研制最小引擎 可驅(qū)動(dòng)人體內(nèi)醫(yī)用機(jī)器人

　　這是世界上最小的引擎，能驅(qū)動(dòng)各種納米機(jī)器，甚至可以用于在人體內(nèi)部工作的醫(yī)療機(jī)器人。

　　在新一期美國《國家科學(xué)院學(xué)報(bào)》(Proceedings of the National Academy of Sciences)上，英國劍橋大學(xué)研究人員發(fā)布論文，稱已經(jīng)成功研制出納米換能器(actuating nano-transducer)或“螞蟻”(actuating nano-transducer的首字母縮寫Ant)。它是一種膠體發(fā)動(dòng)機(jī)，由金納米顆粒和溫度響應(yīng)性聚合物聚N-異丙基丙烯酰胺(pNIPAM)組成，利用金屬顆粒的分子間作用力(又稱范德華力)進(jìn)行工作。它可產(chǎn)生一種微觀尺度上的推動(dòng)力，其單位重量推力是任何已知馬達(dá)或肌肉的100倍。

　　“多年來，大家一直在談?wù)撝圃旒{米機(jī)器人，但它們?nèi)晕磫柺?。”劍橋大學(xué)(Cambridge)教授、該項(xiàng)目帶頭人杰里米·邦伯格(Jeremy Baumberg)說，“為什么呢?這是因?yàn)橹敝两裉欤覀內(nèi)詿o法讓納米機(jī)器人在液體中移動(dòng)——這就像是在納米尺度的糖漿中游泳，分子力太強(qiáng)了?！?/p>

　　而“螞蟻”的動(dòng)力源自物理反應(yīng)而不是化學(xué)反應(yīng)。它包含金納米顆粒，每個(gè)顆粒的直徑約為0.06微米(相當(dāng)于人類頭發(fā)寬度的千分之一)，這些顆粒與聚N-異丙基丙烯酰胺的凝膠狀聚合物一起泡在水里。

　　當(dāng)溫度升到臨界溫度32攝氏度以上時(shí)，金顆粒通過分子間吸引力與聚合物一道被緊緊束縛在一起。當(dāng)溫度降到32攝氏度以下時(shí)，聚合物突然吸收水分并膨脹——聚集的金顆粒被快速推散開來，就像彈簧一樣。

　　“這就像是爆炸，”論文第一作者、劍橋大學(xué)卡文迪什實(shí)驗(yàn)室的丁濤(Tao Ding)說，“當(dāng)水分子讓金顆粒周圍的聚合物膨脹時(shí)，數(shù)百個(gè)金球在百萬分之一秒內(nèi)飛散開來?！?/p>

　　丁濤稱，此前，人們制造出一系列微型引擎，但是它們響應(yīng)速度慢，驅(qū)動(dòng)力小;而他們的引擎把范德華力以彈性勢能的形式存儲(chǔ)在溫度響應(yīng)性聚合物之中，可以通過溫度變化或者光熱驅(qū)動(dòng)，具有響應(yīng)速度快、驅(qū)動(dòng)力大的特點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)微型發(fā)動(dòng)機(jī)的瓶頸。

　　“就像真正的螞蟻一樣，它們能夠提供比自身重量大得多的力量。智能的部分是我們利用重金屬微粒的范德華引力將聚合物和水分子的力量釋放出來，這具有很強(qiáng)的可逆性和可重復(fù)性?！卑畈窠淌谡f。

　　依據(jù)論文，“螞蟻”原型引擎可用激光來控制系統(tǒng)的溫度，但也可采用其他機(jī)制。臨界點(diǎn)也可調(diào)整，比如把能量釋放點(diǎn)設(shè)定為接近37攝氏度——人體的正常溫度。

　　丁濤說，短期來看，該研究成果可用于控制微流體閥門的開關(guān)、生物檢測以及藥物篩選;長期來看，它可用于納米機(jī)器人進(jìn)行納米醫(yī)療以及微納機(jī)電系統(tǒng)等領(lǐng)域?？傊?，這種微型引擎有可能成為各種納米機(jī)器的重要?jiǎng)恿υ慈?/p>

　　“這一概念可為大量的未來設(shè)計(jì)提供支撐，”邦伯格教授說。該團(tuán)隊(duì)正與劍橋大學(xué)的商業(yè)化機(jī)構(gòu)“劍橋?qū)崢I(yè)”(Cambridge Enterprise)合作，開發(fā)這項(xiàng)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。