神奇的微型游泳器

編譯 費(fèi)文緒

有朝一日，微型自驅(qū)動(dòng)顆粒可用于凈化污水或體內(nèi)送藥。

人造微型游泳器可能最終模仿科幻電影《神奇旅程》中的迷你潛水艇，游到病人的血管里輸送藥物

游泳是很多生物普遍都會(huì)的一項(xiàng)技能。大個(gè)頭的動(dòng)物，比如鯨或人類，一般是通過(guò)把向后的動(dòng)量傳遞給流體，由于動(dòng)量守恒而向前游動(dòng)。同樣的游泳策略甚至對(duì)相對(duì)小型的動(dòng)物也適用，比如魚(yú)和蝌蚪。

微生物，比如細(xì)菌，其大小是蝌蚪的1%到10%，也必須靠游泳找到營(yíng)養(yǎng)物和躲避捕食者。但是，把動(dòng)量給予液體的宏觀游泳策略對(duì)于微生物是無(wú)效的，因?yàn)樵谖⒊叨认铝黧w的運(yùn)動(dòng)為低雷諾數(shù)運(yùn)動(dòng)，其黏性耗散超過(guò)了流體動(dòng)量的影響。想象一下，一個(gè)人試圖在糖漿中游泳：任何想把流體往后推而產(chǎn)生向前運(yùn)動(dòng)的努力都會(huì)被流體的黏性所阻止。細(xì)菌和其他微生物面臨類似的情況，因?yàn)樗鼈兪侨绱宋⑿?，即使是水的黏性也足以勝過(guò)微生物微不足道的慣性。盡管面臨這一挑戰(zhàn), 進(jìn)化還是為微生物提供了一系列高效的游泳策略, 使微型游泳存在了數(shù)百萬(wàn)年。

自從進(jìn)入21世紀(jì)，科學(xué)家和工程師已經(jīng)開(kāi)始研發(fā)模擬自然微型游泳者的人造物。人造微型游泳器是膠體顆粒，大小與細(xì)菌相當(dāng)，一般是1~10微米，能在液體中自我推進(jìn)。自然界的微型游泳者是通過(guò)驅(qū)動(dòng)附屬物如纖毛或鞭毛來(lái)游動(dòng)的，但是人造微型游泳器通常沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，而是通過(guò)自身與環(huán)境之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)來(lái)產(chǎn)生推進(jìn)力。人們將膠體顆粒設(shè)計(jì)成可以進(jìn)行復(fù)雜的行為和任務(wù)，所以，研究人員在積極研究其各種重要的實(shí)際應(yīng)用，從水處理到輸送藥物等。

人們對(duì)體內(nèi)移動(dòng)的微型自驅(qū)動(dòng)器具的構(gòu)想著迷已久。1959年，著名物理學(xué)家費(fèi)曼在美國(guó)加州理工學(xué)院的演講“微觀世界有無(wú)垠的空間”中，設(shè)想有朝一日可以“吞下外科醫(yī)生”。他挑戰(zhàn)科學(xué)界設(shè)計(jì)一種自驅(qū)動(dòng)微馬達(dá)，能夠縮進(jìn)到邊長(zhǎng)1/64英寸的立方體中。非科學(xué)人士也同樣著迷于此構(gòu)想。1966年的科幻電影《神奇旅程》描繪了一群科學(xué)家把自己和潛水艇縮小到細(xì)胞那么小，從而能夠進(jìn)入到一位同事的血管中，清除他的腦血栓。

納米技術(shù)用了幾十年的時(shí)間趕上這一愿景；直到21世紀(jì)初，研究者才得以成功創(chuàng)造人造微型游泳器。通過(guò)高超的微納米加工技術(shù)，大約有十幾種自驅(qū)動(dòng)顆粒的設(shè)計(jì)已經(jīng)變成現(xiàn)實(shí)。

微尺度下的運(yùn)動(dòng)

1956年，生物化學(xué)家彼得·米切爾（Peter Mitchell）提出，一些微生物可能通過(guò)非機(jī)械手段、不使用任何運(yùn)動(dòng)部件就能實(shí)現(xiàn)自我推進(jìn)。他假設(shè)，如果一個(gè)細(xì)菌能夠不對(duì)稱地泵送離子穿過(guò)其細(xì)胞膜，這樣離子就會(huì)從細(xì)胞的一側(cè)被抽出去，而從細(xì)胞的另一側(cè)回流，由此就形成了一個(gè)電路，如圖1所示。離子會(huì)從細(xì)菌細(xì)胞體的尾部流動(dòng)到前方，而在相反方向離子則會(huì)穿過(guò)鄰近細(xì)胞膜表面的流體。用這種方式，微生物就能前進(jìn)，用米切爾的描述是：“就像坦克一樣的履帶式移動(dòng)”。利用不對(duì)稱的離子泵，微生物至少原理上無(wú)須鞭毛就可以游動(dòng)。

圖1 生物化學(xué)家彼得·米切爾提出的解釋細(xì)菌游泳原理的電動(dòng)機(jī)制

泳動(dòng)（Phoresis）是指由于電位、溶質(zhì)濃度、溫度等某一特定參量存在梯度而導(dǎo)致細(xì)胞或顆粒運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象，分別稱為電泳（electrophoresis）、擴(kuò)散泳動(dòng)（diffusiophoresis）、熱泳（thermophoresis）等。這是微米尺度下的常見(jiàn)運(yùn)輸模式。當(dāng)顆粒或細(xì)胞本身產(chǎn)生了誘導(dǎo)其運(yùn)動(dòng)的梯度，形成相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，就會(huì)發(fā)生泳動(dòng)自驅(qū)動(dòng)。米切爾把他提出的細(xì)菌游泳機(jī)制稱為“自電泳”（self-electrophoresis）。

自從米切爾提出這個(gè)概念以后，若干科學(xué)家已經(jīng)力圖確定是否有微生物通過(guò)自電泳的方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。20世紀(jì)80年代，人們發(fā)現(xiàn)一種叫作聚球藻的海洋藍(lán)藻即使沒(méi)有可見(jiàn)的附肢，也可以在海水中游動(dòng)。一些科學(xué)家假設(shè)聚球藻通過(guò)自電泳的機(jī)制來(lái)游動(dòng)，但是后來(lái)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量表明，這種微生物缺乏可察覺(jué)的表面電荷，因此無(wú)法在外加或自生的電場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)聚球藻運(yùn)動(dòng)的推進(jìn)機(jī)制仍然懸而未決。

盡管沒(méi)有發(fā)現(xiàn)結(jié)論性證據(jù)，至少還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何微生物使用自電泳的推動(dòng)機(jī)制的證據(jù)，但是，在工程系統(tǒng)中，通過(guò)電泳、擴(kuò)散泳動(dòng)和熱泳的自驅(qū)動(dòng)能夠且確實(shí)存在。人造微型游泳器是通過(guò)表面化學(xué)反應(yīng)在其附近產(chǎn)生化學(xué)、電位或熱量梯度的微尺度顆粒。要發(fā)生運(yùn)動(dòng)，至少需要一個(gè)參量存在不對(duì)稱性。比如，電位、溫度或濃度，而且這種不對(duì)稱性一般是通過(guò)顆粒表面的不均勻排列產(chǎn)生的。大多數(shù)泳動(dòng)人造微型游泳器具有不同化學(xué)特性的正反面，被稱為“雅努斯顆?！保↗anus particles）。雅努斯是羅馬神話中的雙面門神，他的頭部前后有兩副面孔，一副回顧過(guò)去，一副眺望未來(lái)。

運(yùn)動(dòng)的微電池

盡管尚未在自然界中明確觀察到自電泳現(xiàn)象，但是，自電泳是在人造微型游泳器中實(shí)現(xiàn)的首個(gè)機(jī)制。2004年，沃爾特·帕克斯頓（Walter Paxton）、艾斯曼·森（Ayusman Sen）、托馬斯·馬盧克（Thomas Mallouk）及其美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)的同事引入了自泳動(dòng)雙金屬棒（autophoretic bimetallic rods）。這種圓柱形顆粒長(zhǎng)2微米、直徑200納米，由兩段金屬棒相連而成。此類人造微型游泳器中的金屬一般是金和鉑，不過(guò)也可以使用其他金屬組合。每個(gè)金屬棒發(fā)揮了微型電池的作用，鉑充當(dāng)陽(yáng)極，金充當(dāng)陰極。當(dāng)把雙金屬棒置于過(guò)氧化氫溶液中，每個(gè)表面發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生了自陽(yáng)極向陰極流過(guò)金屬棒的電子電流，并且在電解質(zhì)中產(chǎn)生了互補(bǔ)的離子電流。陽(yáng)極發(fā)生的氧化反應(yīng)把陽(yáng)離子注入溶液中，而陰極發(fā)生的還原反應(yīng)則消耗陽(yáng)離子。因此，這種反應(yīng)模式類似于米切爾提出的模式，如圖1所描述。

電化學(xué)反應(yīng)驅(qū)動(dòng)了金屬棒的運(yùn)動(dòng)。這些反應(yīng)的產(chǎn)物（如圖2所示）導(dǎo)致鉑端周圍的流體帶上正電荷，而金端周圍的流體帶上負(fù)電荷，從而在流體中產(chǎn)生了一個(gè)電偶極子和一個(gè)伴生電場(chǎng)。顆粒最終受到自生電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)，是因?yàn)殡妶?chǎng)對(duì)金屬棒周圍雙電層的正電荷的流體和帶負(fù)電荷的金屬棒本身施加了作用力。帶正電荷的流體向后流向陰極，而帶負(fù)電荷的金屬棒則以陽(yáng)極朝前的方式運(yùn)動(dòng)。與電池類似的是，金屬棒把儲(chǔ)存在過(guò)氧化氫分子中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能；與電池不同的是，它們繼而會(huì)把電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。

當(dāng)創(chuàng)造自電泳顆粒時(shí)，并沒(méi)有特別限定這種顆粒是鉑還是金。由其他金屬制成的金屬棒也可以在過(guò)氧化氫溶液中實(shí)現(xiàn)自驅(qū)動(dòng)，在每種情形下，對(duì)電子親和力較小的金屬會(huì)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中面向前進(jìn)的方向。對(duì)于金-鉑雙金屬棒來(lái)說(shuō)，鉑端總是引領(lǐng)金屬棒的運(yùn)動(dòng)。而且，兩個(gè)金屬間的電子親和力的差異越大，電子遷移的驅(qū)動(dòng)力越大，游泳速度也越快。因此，電化學(xué)測(cè)量可以預(yù)測(cè)雙金屬棒自驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的方向和速度。

圖2 鉑-金雙金屬棒在過(guò)氧化氫溶液中發(fā)生了自電泳

研究者已經(jīng)在其他工程系統(tǒng)中觀察到利用相同物理原理和不同能量源的自電泳現(xiàn)象。例如，碳纖維（大約長(zhǎng)1厘米、直徑7微米）在葡萄糖溶液中的自驅(qū)動(dòng)也是同樣的機(jī)理。陽(yáng)極涂覆能分解葡萄糖的催化劑，陰極涂覆另一種不同的催化劑，電子通過(guò)碳纖維傳導(dǎo)，氫離子從陽(yáng)極向陰極遷移。氧氣與氫離子和電子在陰極結(jié)合而生成水。如果金屬棒兩端的電連接斷開(kāi)，借助自電泳機(jī)制實(shí)現(xiàn)的自驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)就會(huì)停止。

水和紫外線也可以用作自電泳的能量源。在紫外線照射下，一半鍍金的二氧化鈦微球可以在純凈水中自我推進(jìn)，二氧化鈦端朝著前進(jìn)的方向。當(dāng)二氧化鈦在紫外線照射下，會(huì)發(fā)生電子-空穴的分離。朝著二氧化鈦導(dǎo)帶移動(dòng)的電子比它們?cè)诮鸲丝赡芫哂械哪芰扛?，所以電子電流從二氧化鈦端流向金端。與此同時(shí)，電化學(xué)電荷遷移反應(yīng)在二氧化鈦和金表面發(fā)生，并產(chǎn)生自生電場(chǎng)推動(dòng)自驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。

人造微型游泳器（包括自電泳的微型游泳器）可以通過(guò)工程方法實(shí)現(xiàn)超過(guò)1毫米（100個(gè)自身長(zhǎng)度）每秒的游動(dòng)速度。相比之下，法拉利488跑車的最大行駛速度是205英里/小時(shí)，也就是大約只有每秒20個(gè)跑車長(zhǎng)度。顆粒的運(yùn)動(dòng)速度一般隨著燃料濃度的增加而增加，因?yàn)轵?qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的燃料濃度越高，反應(yīng)速度越快。在燃料濃度足夠高時(shí)，顆粒的運(yùn)動(dòng)速度趨于平穩(wěn)，主要是由于兩個(gè)原因：首先，金屬表面上可發(fā)生反應(yīng)的點(diǎn)的數(shù)量是有限的；其次，大多數(shù)反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生氧或氫分子的氣泡，當(dāng)反應(yīng)速度很快時(shí)，氣泡會(huì)堵塞顆粒的反應(yīng)表面。

自電泳微型游泳器的一個(gè)缺點(diǎn)是：它們必須在鹽度很低的含水體系中運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)中，即使是低濃度的溶解鹽也會(huì)大大降低游泳器的速度。不同鹽度下的計(jì)算機(jī)模擬顯示，溶解鹽會(huì)減小自生電場(chǎng)的大小、反應(yīng)速率和顆粒表面電荷。顆粒運(yùn)動(dòng)速度大致與溶液的導(dǎo)電性成反比。當(dāng)鹽濃度高于很小的1 毫摩爾每升的濃度時(shí)，鉑-金雙金屬棒的運(yùn)動(dòng)就變得幾乎和布朗運(yùn)動(dòng)沒(méi)有區(qū)別。盡管如此，自電泳微型游泳器仍用于一些低鹽度的應(yīng)用，比如基于運(yùn)動(dòng)的水污染物檢測(cè)和去除。

更中性的動(dòng)力源

泳動(dòng)運(yùn)動(dòng)發(fā)生的前提是形成某個(gè)參量的梯度場(chǎng)，但不一定是電位梯度。當(dāng)一個(gè)物體因化學(xué)濃度梯度而發(fā)生相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)發(fā)生擴(kuò)散泳動(dòng)。當(dāng)物體本身產(chǎn)生梯度時(shí)，物體的運(yùn)動(dòng)就變成了自擴(kuò)散泳動(dòng)。不像電泳，擴(kuò)散泳動(dòng)可以在中性和帶電溶質(zhì)的梯度場(chǎng)發(fā)生，但是，大多數(shù)研究關(guān)注的是中性溶質(zhì)。人們認(rèn)為：擴(kuò)散泳動(dòng)自然發(fā)生在李斯特菌的移動(dòng)中，也發(fā)生在通過(guò)使用肌動(dòng)蛋白的不對(duì)稱聚合的一些細(xì)胞的移動(dòng)中。

自擴(kuò)散泳動(dòng)要求游泳器誘導(dǎo)溶質(zhì)產(chǎn)生不均勻的濃度，這通常通過(guò)不對(duì)稱的表面反應(yīng)，如圖3所描述。顆粒周圍的溶質(zhì)濃度的不對(duì)稱性導(dǎo)致溶質(zhì)和顆粒之間的不平衡作用力。溶質(zhì)和顆粒之間常見(jiàn)的相互作用力源于位阻排斥、水合力、范德華力和靜電作用。這些力往往相對(duì)較弱，所以自擴(kuò)散泳動(dòng)游泳器一般比自電泳顆粒運(yùn)動(dòng)慢很多。

通過(guò)自擴(kuò)散泳動(dòng)進(jìn)行游泳的設(shè)想最早于2005年提出，大致和研究者開(kāi)始對(duì)自電泳鉑-金雙金屬棒運(yùn)動(dòng)的研究是在相同時(shí)期。拉明·戈?duì)査顾岚玻≧amin Golestanian）及其英國(guó)謝菲爾德大學(xué)的合作者提出，如果球形顆粒表面上的單個(gè)反應(yīng)位點(diǎn)不斷產(chǎn)生不帶電荷的產(chǎn)物顆?；蚍肿樱瑒t它可以產(chǎn)生中性溶質(zhì)梯度。他們用關(guān)于反應(yīng)速率的函數(shù)計(jì)算出了球形顆粒的游泳速度。在這個(gè)機(jī)制提出后不久，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)自擴(kuò)散泳動(dòng)的候選系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用一半鍍鉑的絕緣微球，以絕緣半球朝前、鍍鉑半球朝后的前進(jìn)方式，在過(guò)氧化氫溶液中自驅(qū)動(dòng)。這些游泳器的主導(dǎo)互動(dòng)機(jī)制是顆粒和鉑表面過(guò)氧化物分解反應(yīng)產(chǎn)生的氧氣分子之間的位阻排斥。由于顆粒與溶質(zhì)的相互作用是互相排斥的，顆粒朝著溶質(zhì)濃度低的方向運(yùn)動(dòng)。

此后，研究人員又研發(fā)出其他類型的活性顆粒，其顯示出更明確的自擴(kuò)散泳動(dòng)。其中一個(gè)系統(tǒng)使用金-二氧化硅雙面神微球，并且在二氧化硅半球上帶有催化劑。當(dāng)游泳器浸入單體溶液中，催化劑使單體在受到催化的二氧化硅表面形成聚合物鏈，反過(guò)來(lái)，降低了顆粒一側(cè)的單體的局部濃度。不對(duì)稱聚合導(dǎo)致了游泳器周圍的單體產(chǎn)生濃度梯度，使得游泳器從較高濃度的一端朝著發(fā)生聚合的一端推進(jìn)，同樣是通過(guò)位阻排斥的相互作用。

圖3 自擴(kuò)散泳動(dòng)可以在中性溶質(zhì)濃度梯度中推進(jìn)顆粒

自熱泳

自熱泳是對(duì)熱泳的自發(fā)模擬，顆?；蚣?xì)胞由于存在溫度梯度而發(fā)生運(yùn)動(dòng)。在氣體中，熱泳相對(duì)直截了當(dāng)。當(dāng)顆粒浸入存在溫度梯度的氣體中，在顆粒的更熱一端的高溫氣體分子與顆粒表面發(fā)生更頻繁、動(dòng)量更大的碰撞，所以它們推動(dòng)物體朝著溫度降低的方向運(yùn)動(dòng)。

在液體中，顆粒一般朝著溫度更低的方向運(yùn)動(dòng)，和氣體中的情況一樣；但是，如果通過(guò)增加總體平均溫度或加鹽或表面活性劑來(lái)改變環(huán)境，則會(huì)導(dǎo)致顆粒朝著溫度更高的方向運(yùn)動(dòng)。液體中的熱泳的確切機(jī)制是研究者正在積極研究的課題。像其他自發(fā)的過(guò)程一樣，自熱泳必須由系統(tǒng)的吉布斯自由能的減少來(lái)驅(qū)動(dòng)。懸浮膠體顆粒的能量的兩個(gè)主要來(lái)源是水合力和表面的離子屏蔽（ionic shielding）。在溫度較低和電解質(zhì)濃度較高的情況下，水合熵（hydration entropy）起主導(dǎo)作用，朝著較溫暖區(qū)域的運(yùn)動(dòng)變得在熱力學(xué)上有利。在室溫和電解質(zhì)濃度較低的情況下，離子屏蔽發(fā)揮更大作用，膠體顆粒往往朝著溫度較低的區(qū)域運(yùn)動(dòng)。

同其他類型的泳動(dòng)自驅(qū)動(dòng)一樣，自熱泳一般發(fā)生于不對(duì)稱排列的膠體顆粒。自熱泳系統(tǒng)的原型是由紅外激光驅(qū)動(dòng)的金-絕緣體雙面神顆粒。這種顆粒的制備方法是：取二氧化硅或聚苯乙烯微球，在每個(gè)球體的一半表面上濺射鍍金。金屬側(cè)優(yōu)先吸收紅外輻射，變得比絕緣側(cè)更熱，溫差在周圍溶液中產(chǎn)生溫度梯度并使顆粒運(yùn)動(dòng)。

激光驅(qū)動(dòng)的自熱泳微型游泳器的速度隨著紅外光的強(qiáng)度增加而增加，當(dāng)紅外光關(guān)閉時(shí)，微型游泳器的運(yùn)動(dòng)也就停止了。用這種方式，停止和前進(jìn)這兩種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)在純凈水中可以實(shí)現(xiàn)。不使用化學(xué)燃料的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是：理想狀態(tài)下，只要提供紅外光，運(yùn)動(dòng)就能無(wú)限持續(xù)。

復(fù)雜和集體行為

在顯微鏡下，游泳顆粒的行為與能動(dòng)菌（motile bacteria）等微生物類似。它們定期改變游泳方向，并且與固體表面以及其他顆粒發(fā)生相互作用。而且，與一些細(xì)菌一樣，人造游泳顆粒會(huì)對(duì)不均勻的溶質(zhì)濃度、溫度和電磁場(chǎng)做出反應(yīng)。因?yàn)樯鲜鲞@些顯而易見(jiàn)的相似性，研究者付出了很大努力來(lái)研究人造游泳器的復(fù)雜和集體運(yùn)動(dòng)。

所有微米尺度的懸浮顆粒都會(huì)發(fā)生布朗運(yùn)動(dòng)，這會(huì)導(dǎo)致它們由于熱波動(dòng)而發(fā)生隨機(jī)的平移和旋轉(zhuǎn)。另外，自驅(qū)動(dòng)顆粒還會(huì)發(fā)生線性運(yùn)動(dòng)，附加到它們的平移和旋轉(zhuǎn)的布朗運(yùn)動(dòng)上。這種運(yùn)動(dòng)疊加導(dǎo)致游泳顆粒持續(xù)運(yùn)動(dòng)，但是朝著隨意的方向，所以它們比自由擴(kuò)散的顆粒的運(yùn)動(dòng)范圍更大。圖4對(duì)布朗粒子和人造游泳器的軌跡進(jìn)行比較，表明人造游泳器具有更大的擴(kuò)散性。在10分鐘內(nèi)，被動(dòng)顆?？梢詳U(kuò)散到35平方微米的區(qū)域，而類似的游泳顆粒可以探索大于1平方毫米的區(qū)域。游泳顆粒的這種擴(kuò)散能力可以用于比如輸送藥物到人體的某一區(qū)域，并且目標(biāo)是廣泛散布藥物。

盡管大多數(shù)研究報(bào)告指出，人造微型游泳器在隨機(jī)擾動(dòng)下以相對(duì)直線運(yùn)動(dòng)，其實(shí)它們也表現(xiàn)出了以嚴(yán)格圓形方式游泳的能力。它們由于其無(wú)意或有意的幾何不對(duì)稱性而進(jìn)行圓形游動(dòng)。當(dāng)顆粒游動(dòng)時(shí)，這種不對(duì)稱性導(dǎo)致一側(cè)的黏性阻力比另一側(cè)更大，所以顆粒持續(xù)朝著一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。在短時(shí)間內(nèi)，圓形游泳器表現(xiàn)出了游泳器的大擴(kuò)散性，但是久而久之，它們的有效擴(kuò)散性就會(huì)下降，因?yàn)樗鼈冇瓮暌徽螅瑤缀鯐?huì)游回到起初的位置。

顆粒的游動(dòng)方向可以利用外部施加的場(chǎng)進(jìn)行控制。嵌入磁性部分的游泳器將根據(jù)外部磁場(chǎng)做出排列。微型游泳器自身仍然會(huì)產(chǎn)生推進(jìn)力，但是，會(huì)沿著與磁場(chǎng)一致的方向運(yùn)動(dòng)。通過(guò)把這兩種機(jī)制結(jié)合起來(lái)，游泳器可以被引導(dǎo)成預(yù)定運(yùn)動(dòng)模式，如微流體通道；這讓人想起電影《神奇旅程》中，潛水艇穿過(guò)病人簡(jiǎn)·貝內(nèi)斯（Jan Benes）的毛細(xì)血管。

若干研究表明，游泳器還能利用同樣的磁性部分挑揀順磁顆粒并將其搬運(yùn)到另一個(gè)位置，如圖4b所示。像螞蟻一樣，人造微型游泳器能夠搬運(yùn)大小是自身30倍的貨物。因?yàn)橛斡酒鞯睦字Z數(shù)很低，所以是貨物的大小而非重量決定了其黏性阻力。人造微型游泳器的貨物運(yùn)輸能力已經(jīng)用于分選細(xì)胞或遞送載藥聚合物顆粒等用途。

圖4

游泳器通過(guò)水動(dòng)力、靜電力和泳動(dòng)力（phoretic forces）與表面和其他顆粒發(fā)生相互作用。遠(yuǎn)程水動(dòng)力可以驅(qū)使游泳器趨向微觀特征，使它們沿著亞微米尺度邊緣的邊界運(yùn)動(dòng)，以及在較大的固定球體周圍以間歇的圓形方式運(yùn)動(dòng)，如圖4c中的金屬棒那樣。游泳器產(chǎn)生的化學(xué)場(chǎng)和電場(chǎng)是短程的，所以它們只能影響游泳器與附近的表面或顆粒的相互作用。顆粒間相互作用可能是吸引力，導(dǎo)致顆粒聚集；也可能是排斥力，導(dǎo)致顆粒分散；并且相互作用的類型可取決于顆粒及其伴生場(chǎng)的相對(duì)排列。

實(shí)驗(yàn)已經(jīng)表明，自泳動(dòng)顆粒會(huì)顯現(xiàn)出趨向性（taxis），趨向性是指微生物感受外部刺激（通常是光或營(yíng)養(yǎng)物的存在）時(shí)，向其運(yùn)動(dòng)或躲避的能力。像一些魚(yú)類一樣，人造游泳器可以表現(xiàn)出積極的趨流性（rheotaxis），在流體流動(dòng)中逆流遷移。它們向上游游動(dòng)的行為源于黏性剪切流引起的扭矩，該扭矩持續(xù)使顆粒的游動(dòng)方向逆流。泳動(dòng)顆粒也會(huì)顯示出正向趨重力性（positive gravitaxis），逆著重力的方向向上游動(dòng)。在這種情況下，顆粒在幾何上或化學(xué)上是各向異性的。在兩種情況下，不對(duì)稱性都會(huì)導(dǎo)致質(zhì)心的位移，并產(chǎn)生使顆粒與重力場(chǎng)保持一致的扭矩。這樣的行為可用于設(shè)計(jì)在循環(huán)系統(tǒng)中向上游游動(dòng)來(lái)輸送藥物，或是游到水體表面來(lái)補(bǔ)救有毒物質(zhì)泄漏的顆粒。

在醫(yī)學(xué)和環(huán)境中的應(yīng)用

現(xiàn)在，人們正在開(kāi)發(fā)人造微型游泳器在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用。體內(nèi)環(huán)境對(duì)此提出了挑戰(zhàn)，因?yàn)閷?duì)于驅(qū)動(dòng)游泳器運(yùn)動(dòng)的機(jī)制而言，體內(nèi)環(huán)境往往不如原始的體外環(huán)境友好。很多游泳器需要燃料，例如過(guò)氧化氫，大多數(shù)動(dòng)物在游泳器游動(dòng)所需的濃度下不能很好地耐受過(guò)氧化氫。此外，體內(nèi)條件通常是咸的，生物介質(zhì)中的平均鹽濃度大約為0.1摩爾/升，這就排除了自電泳作為游泳機(jī)制的可能性。

要在上述環(huán)境中推進(jìn)微型游泳器，就需要替代的游泳機(jī)制。鋅、鋁和鎂微型游泳器溶解在弱酸性含水條件下并產(chǎn)生氫氣泡，從而推動(dòng)游泳器前進(jìn)，如圖5所示。它們不是泳動(dòng)的，而是由分離氣泡產(chǎn)生的反沖力來(lái)推動(dòng)。不像泳動(dòng)的微型游泳器，氣泡推進(jìn)的顆粒不易受溶解鹽的影響，這是這種顆粒應(yīng)用于生物體的主要優(yōu)點(diǎn)。

來(lái)自美國(guó)加利福尼亞大學(xué)圣迭戈分校（UCSD）的約瑟夫·王（Joseph Wang）研究組的幾項(xiàng)概念驗(yàn)證研究表明，可以在體內(nèi)使用酸性水驅(qū)動(dòng)的氣泡游泳器來(lái)為小鼠輸送有效治療荷載。他們利用鎂顆粒溶解在胃酸中產(chǎn)生的氣泡來(lái)推進(jìn)鎂顆粒。鎂顆粒涂有抗生素藥物克拉霉素，這種藥物用于人類對(duì)抗胃和小腸上段的幽門螺桿菌感染。此外，微型游泳器也用于在小鼠胃腸道輸送藥物（見(jiàn)圖4d）。這個(gè)過(guò)程依賴于給游泳器裹上一層耐酸的腸溶包衣，包衣在腸道更加中性的pH環(huán)境下會(huì)降解。游泳器穿過(guò)胃而不變，但一旦腸溶包衣脫落，就會(huì)變得能動(dòng)；包衣脫落和游泳器變得能動(dòng)的點(diǎn)取決于包衣的厚度。

圖5 氣泡推進(jìn)的微型游泳器

克里斯蒂安·卡斯特魯普（Christian Kastrup）及其加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)的合作者使用其他自驅(qū)動(dòng)微型游泳器將凝血?jiǎng)┹斔偷叫∈蠛拓i的嚴(yán)重出血部位。他們使用的顆粒由碳酸鹽和氨甲環(huán)酸制成，使用氣泡推進(jìn)將凝血酶（一種血液凝固劑）輸送到傷口血管系統(tǒng)之內(nèi)幾毫米處。當(dāng)加載活性凝血酶時(shí)，顆粒止住了多種動(dòng)物模型中的術(shù)中和創(chuàng)傷性出血的嚴(yán)重出血。

設(shè)計(jì)出解決石油泄漏的補(bǔ)救等環(huán)境挑戰(zhàn)的游泳器也是可能的。當(dāng)涂有不對(duì)稱疏水涂層的鎂顆粒與分散在海水中的微米級(jí)油滴放置在一起時(shí)，鎂顆粒游過(guò)懸浮液，而油滴吸附在游泳器的疏水表面上。通過(guò)分解海水產(chǎn)生氫氣泡來(lái)推進(jìn)顆粒，類似于上面提到的胃酸推進(jìn)的游泳器。如果把鐵磁金屬結(jié)合到顆粒中，則可以對(duì)顆粒進(jìn)行引導(dǎo)、收集和再利用。

微型游泳器還可以通過(guò)將其用作燃料來(lái)清除化學(xué)污染物。鈀基游泳器可以利用催化還原反應(yīng)，將有毒的硝基芳香族化合物（來(lái)自染料和農(nóng)藥工業(yè)生產(chǎn)的持久、不可生物降解的污染物）轉(zhuǎn)化為無(wú)毒副產(chǎn)品。類似，在有光的情況下，二氧化鈦顆粒使用光催化反應(yīng)來(lái)破壞球芽孢桿菌孢子（與炭疽芽孢桿菌類似），從而將有機(jī)磷化合物化學(xué)毒劑降解成無(wú)害的副產(chǎn)物。

人造微型自驅(qū)動(dòng)顆?？梢宰园l(fā)地與局部環(huán)境相互作用，發(fā)揮有用的功能，這聽(tīng)起來(lái)就像是熱門科幻電影的素材。研究人員在理解驅(qū)動(dòng)人造微型游泳器的物理學(xué)原理，以及研發(fā)在各種現(xiàn)實(shí)條件下運(yùn)行的游泳器方面取得了很大進(jìn)展。但是，關(guān)于游泳器的自驅(qū)動(dòng)機(jī)制仍有許多未解決的問(wèn)題。隨著人造微型游泳器的種類增多，它們的一般原理得到更好的理解，其在人類健康和環(huán)境方面的應(yīng)用數(shù)量將會(huì)迅速增長(zhǎng)。