由布里斯托尔大学的国际科学家团队的最新研究,为构建具有微型机器人、微尺度传感和生物工程潜在应用的新型半自主设备铺平了道路。


微执行器是一种可以将信号和能量转换为小型结构中机械驱动运动的设备,在各种先进的微技术中都很重要。


通常,微执行器依赖于体积特性(如 pH 值和温度)的外部变化来触发可重复的机械转换。


微执行器为构建新型半自主机器人铺平了道路


在一项新研究中展示了一种新方法,该方法使用内部变化作为基于信号的运动的触发器。


在一系列实验中,研究人员成功地将数以万计的人造细胞样实体(原始细胞)嵌入多糖水凝胶的螺旋细丝中,以产生由内部化学驱动的微小独立弹簧。


该团队首先为原始细胞加载尿素酶,一种在提供尿素时会产生碳酸根离子的酶,然后使用自制的微流体装置在海藻酸钙水凝胶的扭曲射流中捕获人造细胞。


当尿素酶被打开时,螺旋丝开始在水中解开,并且随着更多的碳酸根离子从原始细胞逃逸到周围的水凝胶中,纵向延伸的速度增加。


内源性化学活性与机械运动的耦合与水凝胶中的交联断裂有关,这是由于原位形成碳酸钙颗粒去除了钙离子,导致弹簧状弹性能的缓慢释放。


相反,通过使用放置在长丝外部的第二组产酸葡萄糖氧化酶原始细胞溶解碳酸钙颗粒来回收钙离子,可以逆转开卷并重新建立独立弹簧的原始螺距。


微执行器为构建新型半自主机器人铺平了道路


基于这些观察,研究人员使用螺旋状的原始细胞细丝作为驱动轴来执行原始细胞驱动的机械工作。为此,他们在卷曲水凝胶的每一端都连接了一个“巨型”原始细胞,并将这些微小的哑铃用作独立的微致动器(见图)。


两个巨大的原始细胞中的脲酶活性足以引起哑铃的横向伸展。如果其中一个附着的巨型原始细胞含有葡萄糖氧化酶,这种运动可能会受到抑制,葡萄糖氧化酶可以恢复水凝胶连接器中丢失的钙。通过这种方式,可以通过化学信号的机载处理将一系列不同的化学机械转导模式编程到微致动器中。


对原始生活技术有着长期的兴趣。一个关键挑战是如何将原始细胞群落与其环境联系起来以产生功能关系. 新工作朝着这个方向迈出了一步,因为它说明了内源性化学过程如何与其充满活力的环境相结合,以产生可编程的化学机械微系统。


该方法能够推动新型软自适应微结构的制造,这些微结构通过提高自主性水平进行操作。


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