微型机器人折纸可以捕获和传输单个细胞

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马特·希普曼 wmshipma@ncsu.edu 919.515.6386

北卡罗莱纳州立大学和杜克大学的研究人员已经开发出一种方法来组装和预先编程由微观立方体制成的微小结构——“微型机器人折纸”——在磁场的驱动下改变它们的形状，然后利用来自环境的磁能，执行各种任务——包括捕获和传输单个细胞。

研究结果发表在今天的《科学》杂志上科学的进步这为微型机器人和微型折纸组装铺平了道路，它们可以作为细胞表征工具、流体微型混合器、人造肌肉组件和软仿生设备。

“这项研究是关于当前感兴趣的一个话题——活性粒子从它们的环境中获取能量，并将其转化为方向运动，”NC州立大学化学和生物分子工程英维斯塔大学教授、该论文的共同通信作者Orlin Velev说。

为了制作这种微型机器人折纸，研究人员首先从一侧为金属的微小聚合物立方体开始，这基本上可以让金属一侧起到磁铁的作用。根据它们的位置，立方体可以以许多不同的方式组装。

“由于它们被磁化并相互作用，立方体储存能量，”Velev说。“立方体形状的微小颗粒可以排列在一起，它们面向不同的方向，例如，集群的行为就像一个小吃豆人:你可以通过施加磁场打开它们，然后通过关闭磁场让它们关闭。它们闭合是因为它们释放了储存的磁能。因此，每次打开微簇时都要注入内能，关闭时释放内能。”

然后，研究人员给这个小吃豆人一个特定的任务:捕捉活细胞，在这个案例中是一个酵母细胞。微型机器人形成一个四四方方的形状，通过打开和关闭的动作，“游”到酵母细胞周围。然后，研究人员关闭了控制微型机器人折叠以捕获酵母细胞的磁场，移动它，并最终释放它。

“我们在这里展示了一个自折叠微型机器人的原型，”Velev说，“它可以作为一种微型工具来探测特定类型的细胞的反应，比如癌细胞。”

“此前报道的微型机器人结构由于其刚体，仅限于执行简单的任务，如推和穿透物体。远程控制我们的微机器人动态重构的能力创造了一个新的‘工具箱’，用于操纵微尺度物体，并与其微环境互动，”北卡罗来纳州立大学博士研究生、论文第一作者Koohee Han说。

杜克大学和北卡罗来纳州立大学的博士后研究员怀亚特·希尔兹(Wyatt Shields)是这篇论文的合著者，他说:“当微型机器人折叠时，它可以压缩液体或固体，你可以把它作为一种工具来测量体积机械性能，比如刚度。”“在某种程度上，它是一种新的计量工具，用于在微观水平上测量弹性。”

作者说，微型机器人折纸的设计模仿了自然。立方体序列会对折叠微型机器人的形状进行编程。蛋白质也以同样的方式工作，”Shields说。“蛋白质中的氨基酸序列将决定它如何折叠，就像我们的微型机器人中的立方体序列将决定它如何折叠一样。”

Velev说，未来的工作将集中于让粒子自己运动，而不是用磁场控制它们。韩寒正在研究制造在复杂流体中具有非牛顿行为的自动推进机器人。Shields正在研究如何利用微型机器人重塑的动力学来研究周围大分子的微观结构。

这篇论文的合著者是Bhuvnesh Bharti，他目前是路易斯安那州立大学的一名教师;Nidhi M. Diwakar，三角材料研究中心REU学生;以及共同通讯作者Gabriel P. López，目前就职于新墨西哥大学。

该研究由美国国家科学基金会CBET-1604116资助，研究三角材料研究科学与工程中心的可编程软物质(DMR-1121107资助)和美国国家科学基金会研究生奖学金(GRF-1106401)资助。

- kulikowski

编辑报告:本文摘要如下。

“由零碎磁性立方体制成的序列编码胶体折纸和微型机器人组件”

作者: Koohee Han和Orlin D. Velev，北卡罗来纳州立大学;C. Wyatt Shields IV，杜克大学;Nidhi Diwakar，三角材料研究科学与工程中心;路易斯安那州立大学Bhuvnesh Bharti;Gabriel P. López，新墨西哥大学

发表: 2017年8月4日在线科学的进步

DOI: 10.1126 / sciadv.1701108

摘要:可按需重新配置的胶体规模组件可能会成为下一代软“微型机器人”、人造肌肉和其他仿生设备。这需要将粒子精确地排列成预先设定好的结构，当被外部磁场驱动时，这种结构可以可逆地改变形状。设计和制造具有编码定向粒子-粒子相互作用的胶体尺度组件仍然是一个主要挑战。在这里，我们展示了金属介电碎片微立方体的组装可以被设计成通过磁极化储存能量，并通过微尺度重构按需释放它。链状组件的折叠和重构的动态模式可以按照立方体的方向序列进行编码。金属面在微立方体上的剩余极化导致相邻粒子之间的局部相互作用，这是由它们从外部磁场获得能量后形状的构象限制所引导的。这种结构也可以被外部磁场的全球力量定向移动、操纵和操纵。我们通过特定序列组合的例子来说明这些能力，这些序列可以被激活、重新定向和空间机动，以执行微尺度操作，如捕获和运输活细胞，充当微型机器人、微型搅拌机和其他活动微结构的原型。